“ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN PARA UNA RED...
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN TEMA: “ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN PARA UNA RED DE ÁREA DEL HOGAR DE UNA RED ELÉCTRICA INTELIGENTE” AUTOR: JULIO CÉSAR MORA MÉNDEZ DIRECTOR: MSC. EDGAR DANIEL JARAMILLO VINUEZA IBARRA – ECUADOR 2019
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
TEMA:
“ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN PARA UNA RED DE ÁREA DEL
HOGAR DE UNA RED ELÉCTRICA INTELIGENTE”
AUTOR: JULIO CÉSAR MORA MÉNDEZ
DIRECTOR: MSC. EDGAR DANIEL JARAMILLO VINUEZA
IBARRA – ECUADOR
2019
I
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD
TECNICA DEL NORTE
1. IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA
En cumplimiento del Art. 144 de la Ley de Educación Superior, hago la entrega del presente
trabajo a la Universidad técnica del Norte para que sea publicado en el Repositorio Digital
Institucional, para lo cual pongo a disposición la siguiente información.
DATOS DEL CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD 100364636-9
APELLIDOS Y NOMBRES Mora Méndez Julio César
DIRECCIÓN Ibarra, San Antonio – Calle 27 de Noviembre
E-MAIL [email protected]
TELÉFONO FIJO 062551265 TELÉFONO MÓVIL 0959728501
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
PARA UNA RED DE ÁREA DEL HOGAR DE UNA
RED ELÉCTRICA INTELIGENTE
AUTOR Mora Méndez Julio Cesar
FECHA 16 de Diciembre 2019
PROGRAMA Pregrado
TÍTULO POR EL QUE SE
ASPIRA Ingeniero en Electrónica y Redes de Comunicación
ASESOR/DIRECTOR MSc. Edgar Daniel Jaramillo Vinueza
2. CONSTANCIA
II
El autor manifiesta que la obra objeto de la presente autorización es original y se la desarrolló
sin violar derechos de autor de terceros, por lo tanto, la obra es original y que es el titular de los
derechos patrimoniales, por lo que sume la responsabilidad sobre contenido de la misma y saldrá
en defensa de la Universidad en caso de reclamación por parte de terceros.
Ibarra, 16 de diciembre del 2019.
EL AUTOR:
CC. 100364636-9
III
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
CERTIFICACION
MAGISTER EDGAR DANIEL JARAMILLO, DIRECTOR DEL PRESENTA TRABAJO DE
TITULACION CERTIFICA:
Que el presente trabajo de titulación “ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
PARA UNA RED DE ÁREA DEL HOGAR DE UNA RED ELÉCTRICA INTELIGENTE” fue
desarrollado en su totalidad por el Sr. Julio Cesar Mora Méndez, bajo mi supervisión.
Es todo en cuanto puedo certificar en honor de la verdad
DIRECTOR DE TESIS
IV
AGRADECIMIENTO
Brindo mis sinceros agradecimientos a Dios por darme la vida, fortalecer mi ser espiritual, y
darme la inteligencia para poder alcanzar las metas que en su propósito tenga para mi vida, según
su voluntad.
A mi padre Julio Mora y a mi madre Luz Méndez, por el inculcarme ser una persona de bien,
mediante la correcta guía y apoyo en mi vida cotidiana y académica. En especial a mi madrecita
que siempre estuvo conmigo en los momentos más difíciles y gracias a su paciencia y lucha
constante, supo brindarme siempre su mano para no decaer y seguir hasta culminar mis metas.
A mis hermanos Franklin y Galo que a pesar de estar un poco distantes y no compartir gran
parte de mi vida, ellos fueron un gran ejemplo a seguir, ellos motivaron mi ser de superación y
supieron darme el apoyo moral para seguir adelante.
A mis hermanas Sandra y Verito, por estar siempre pendientes de mí en todo momento,
dándome el apoyo y sus concejos, los cuales motivaron a seguir adelante.
A mi tutor Msc. Edgar Daniel Jaramillo y asesores Msc. Fabián Cuzme y Msc.Vladimir García,
que a través de la paciencia y sus conocimientos supieron guiarme adecuadamente en el proyecto
de titulación.
Julio Cesar.
V
DEDICATORIA
Este proyecto se lo dedico a mi madre Luz Elvia Méndez, ya que por su gran amor, dedicación,
lucha y paciencia supo guiarme por el camino del bien y es el motor que me impulse a seguir
adelante en mi vida, a mi padre por tener la visión de sacar a sus hijos adelante en los estudios,
a mis hermanos y hermanas por su apoyo incondicional en todo momento.
VI
ÍNDICE DE CONTENIDO
AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD TECNICA
DEL NORTE ................................................................................................................................. I
CERTIFICACION ...................................................................................................................... III
AGRADECIMIENTO ................................................................................................................ IV
DEDICATORIA .......................................................................................................................... V
ÍNDICE DE CONTENIDO ........................................................................................................ VI
INDICES DE FIGURAS ............................................................................................................ IX
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................ XI
Resumen .................................................................................................................................... XII
Abstract .................................................................................................................................... XIII
CAPITULO I ................................................................................................................................ 1
1. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 1
1.1. Nombre del Proyecto ................................................................................................ 1
1.2. Descripción del Problema ......................................................................................... 1
1.3. Objetivos ................................................................................................................... 3
1.3.1. Objetivo General ................................................................................................ 3
1.3.2. Objetivos Específicos ........................................................................................ 3
1.4. Alcance ..................................................................................................................... 3
1.5. Justificación .............................................................................................................. 5
CAPITULO II ............................................................................................................................... 7
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA .............................................................................. 7
2.1. Red Eléctrica Inteligente ........................................................................................... 7
VII
2.1.1. Conceptos .......................................................................................................... 8
2.1.2. Beneficios de una Red eléctrica inteligente ....................................................... 9
2.1.3. Tecnologías Requeridas ................................................................................... 11
2.1.4. Estándares ........................................................................................................ 12
2.2. Sistemas de Comunicación en una Red Eléctrica Inteligente ................................... 3
2.2.1. Infraestructura .................................................................................................... 3
2.2.2. Subredes de comunicación de una Red eléctrica inteligente ............................. 5
2.2.3. Arquitectura de una Red de Comunicación ....................................................... 8
2.3. Tecnologías de Comunicación ................................................................................ 10
2.3.1. Comunicación mediante tecnología alámbrica: ............................................... 11
2.3.2. Comunicación mediante tecnología Inalámbrica: ........................................... 12
2.3.3. Tecnologías utilizadas en diferentes subredes SG ........................................... 14
2.3.4. Aplicación de Tecnologías en redes WAN, FAN, HAN ................................. 20
2.4. Red de Área del Hogar (HAN) ............................................................................... 23
2.4.1. Arquitectura y elementos que componen una HAN ........................................ 25
2.4.2. Protocolos de Comunicación ........................................................................... 27
2.4.3. Seguridad ......................................................................................................... 28
2.5. Sistema de Medición inteligente: ............................................................................ 30
2.5.1. Principales componentes de la Infraestructura de medición avanzada ............ 33
2.5.2. Variables de medición: .................................................................................... 34
2.5.3. Tecnologías de Comunicación en sistemas AMI ............................................ 35
2.6. Despliegue de Redes Inteligentes ........................................................................... 38
2.6.1. América ........................................................................................................... 38
2.6.2. Europa .............................................................................................................. 41
2.6.3. Asia .................................................................................................................. 44
2.6.4. África: .............................................................................................................. 46
2.6.5. Oceanía: ........................................................................................................... 47
CAPITULO III ........................................................................................................................... 49
3.1. Requerimientos de una red HAN ................................................................................ 49
3.1.1. Tecnología. .......................................................................................................... 49
VIII
3.1.2. Potencia. .............................................................................................................. 50
3.1.3. Distancia. ............................................................................................................. 50
3.1.4. Latencia. .............................................................................................................. 50
3.1.5. Frecuencia de Operación: .................................................................................... 51
3.1.6. Confiabilidad: ...................................................................................................... 52
3.1.7. Velocidad de datos: ............................................................................................. 53
3.1.8. Seguridad:............................................................................................................ 53
3.2. Protocolos de Comunicación para HAN .................................................................... 54
3.3. Revisión de Protocolos ............................................................................................... 56
3.3.1. ZigBee. ................................................................................................................ 56
3.3.2. WIFI .................................................................................................................... 60
3.3.3. Z-wave. ................................................................................................................ 63
3.3.4. Bluetooth. ............................................................................................................ 67
3.4. Comparación de Protocolos ........................................................................................ 70
3.5. Elección de protocolo para HAN ................................................................................ 74
CAPITULO IV ........................................................................................................................... 76
4.1. Formato Mensaje HAN .............................................................................................. 76
4.1.1. Dato de Identificador de dispositivo. .................................................................. 77
4.1.2. Datos de control de encendido y apagado. .......................................................... 79
4.1.3. Lectura de la potencia y corriente. ...................................................................... 80
4.2. El protocolo ZigBee.................................................................................................... 82
IX
4.2.1. Trama de la Capa Física: ................................................................................. 82
4.2.2. Trama de la Capa MAC: .................................................................................. 85
4.3. Parámetros para protocolo de comunicación de una HAN ......................................... 88
4.3.1. Protocolo propuesto vs ZigBee: .......................................................................... 92
4.4. Escenarios de Simulación. .......................................................................................... 93
4.4.1. Escenario 1. ......................................................................................................... 94
4.4.2. Escenario 2. ......................................................................................................... 96
4.4.3. Escenario 3. ......................................................................................................... 97
4.4.4. Escenario 4. ......................................................................................................... 98
Conclusiones. .............................................................................................................................. 99
Recomendaciones. .................................................................................................................... 101
Glosario de Términos y Acrónimos.......................................................................................... 103
Bibliografía ............................................................................................................................... 105
INDICES DE FIGURAS
Figura 1. Infraestructura de comunicación para redes eléctricas inteligentes ........................... 5
Figura 2. Velocidades de transmisión y rango de cobertura para WAN, FAN y NAN. ........... 6
Figura 3. Arquitectura multi-capa de una red eléctrica inteligente. .......................................... 9
Figura 4. Arquitectura general de una red eléctrica, b) Arquitectura general de una red de
comunicación en Smart Grid. ....................................................................................................... 10
Figura 5. Diagrama de tecnologías de Comunicación involucradas en SG. ........................... 10
Figura 6. Aplicación típica de una WLAN en SG. .................................................................. 16
X
Figura 7. Especificaciones técnicas de Bluetooth 3.0 y Bluetooth 4.0 .................................... 17
Figura 8. Red típica WiMax .................................................................................................... 18
Figura 9. Especificaciones técnicas de las tecnologías de la familia 3GPP ............................ 19
Figura 10. Ejemplo de aplicación de tecnologías en una red inteligente. ............................... 23
Figura 11. Arquitectura general de una HAN y sus elementos. .............................................. 27
Figura 12. Componentes Sistemas AMI .................................................................................. 34
Figura 13. Diagrama Red PLC Simplificada ........................................................................... 36
Figura 14. Sistema RF de Largo Alcance en SG ..................................................................... 37
Figura 15. Sistema RF Mesh en una AMI ............................................................................... 38
Figura 16. Protocolos de comunicación en ambiente HAN .................................................... 55
Figura 17. Arquitectura tipica de Zigbee master-esclavo ........................................................ 57
Figura 18. Arquitectura de protocolo ZiggBee ........................................................................ 58
Figura 19. Capa Física Protocolo ZigBee ................................................................................ 59
Figura 20. Arquitectura Wi-Fi - pila de protocolo .................................................................. 61
Figura 21. Arquitectura de Z-Wave ......................................................................................... 64
Figura 22. Tramas de datos Z-Wave en las 3 Capas ............................................................... 66
Figura 23. Arquitectura de capas de Bluetooth ....................................................................... 68
Figura 24. Representación de nomenclatura de ID dispositivo a binario ................................ 78
Figura 25. Datos de control ..................................................................................................... 79
Figura 26. Datos de potencia en binario .................................................................................. 81
Figura 27. Datos de corriente en binario ................................................................................. 81
Figura 28. Mensaje de aplicaciones en HAN .......................................................................... 82
Figura 29. Encabezado de la trama física ................................................................................ 83
XI
Figura 30. Trama de la Capa Física ......................................................................................... 84
Figura 31. Trama de la capa MAC .......................................................................................... 86
Figura 32. Control de trama ..................................................................................................... 86
Figura 33. Trama de datos del nuevo protocolo de comunicación .......................................... 91
Figura 34. Referencia de escenario propuesto (OPNET) ........................................................ 95
Figura 35. Referencia de escenario propuesto (OPNET) ........................................................ 97
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Aplicación de tecnologías de comunicación en subredes WAN, FAN, HAN. .......... 22
Tabla 2 Tecnologías aplicadas para medidores inteligentes en varios países de Europa. ....... 44
Tabla 3 Requisitos de latencia para aplicaciones smart grid. .................................................. 51
Tabla 4 Resumen de Requerimientos de una HAN................................................................. 54
Tabla 5 Cuadro comparativo de protocolos de comunicación inalámbrica ............................ 73
Tabla 6 Validación de protocolo de comunicación ................................................................. 74
Tabla 7 Nomenclatura para datos de identificador de dispositivos ......................................... 78
Tabla 8 Valores de tamaño de trama ....................................................................................... 84
Tabla 9 Cuadro comparativo de Simuladores de Red ............................................................. 94
XII
Resumen
La presente tesis se orienta al estudio de protocolos de comunicaciones para usarse en una red
de área del hogar (HAN), a través del modelo de investigación bibliográfica exploratoria del
mercado de las tecnologías inalámbricas usadas en redes eléctricas inteligentes, con el propósito
de encontrar un protocolo adecuado que se ajuste a las necesidades de una red del hogar. Esta
investigación toma como fuente primaria, artículos científicos publicados en IEEE y por otro lado,
fuentes de libros, documentos publicados por entidades gubernamentales, y artículos de
organizaciones involucradas con las redes eléctricas inteligentes. Aborda fundamentación teórica
y despliegue de tecnología Smart Grid, luego se establecen un estudio de protocolos para
identificar y definir un protocolo de comunicación que más se ajuste a las redes de área del hogar
y finalmente se estable los parámetros del protocolo que se adapte en sistemas o aplicaciones
destinadas a redes de área del hogar. De acuerdo al estudio realizado se toman parámetros más
destacables para la propuesta de un nuevo protocolo de comunicación, que permita comunicar los
dispositivos y electrodomésticos inteligentes del hogar, mediante el establecimiento del mensaje a
ser transmitido, parámetros de sincronización de la trama, campos de direccionamiento, seguridad,
habilitación de ACK, comprobación de errores e información útil, concluyendo que dicha trama
es la que más se ajusta a las necesidades de una aplicación HAN, pero para efectos de aplicabilidad
en ambientes reales conllevaría altos costos, por cuanto es necesario del desarrollo del protocolo
de comunicación, por lo que se estableció escenarios de simulación con el fin de que en un futuro,
poder analizar cada uno de los parámetros establecidos en ésta tesis para el establecimiento de un
protocolo de comunicación más robusto y su posterior desarrollo e implementación en un ambiente
HAN real.
Palabras Clave: Redes eléctricas inteligentes, protocolos, aplicaciones del hogar, zigbee.
XIII
Abstract
This thesis is aimed at the study of communications protocols for use in a home area network
(HAN), through the exploratory bibliographic research model of the wireless technologies market
used in smart grids, with the purpose of finding a appropriate protocol that fits the needs of a home
network. This research takes as a primary source, scientific articles published in IEEE and on the
other hand, sources of books, documents published by government entities, and articles of
organizations involved with smart grid. It addresses theoretical foundation and deployment of
Smart Grid technology, then a study of protocols is established to identify and define a
communication protocol that best fits the home area networks and finally the protocol parameters
that adapt to systems or systems are established. applications intended for home area networks.
According to the study carried out, more remarkable parameters are taken for the proposal of a
new communication protocol, which allows the communication of smart home devices and
appliances, by establishing the message to be transmitted, plot synchronization parameters,
addressing fields , security, ACK enablement, error checking and useful information, concluding
that said frame is the one that best suits the needs of a HAN application, but for applicability
purposes in real environments it would entail high costs, since it is necessary for development of
the communication protocol, so simulation scenarios were established so that in the future, to
analyze each of the parameters established in this thesis for the establishment of a more robust
communication protocol and its subsequent development and implementation in A real HAN
environment.
Keywords: Smart grid, ZigBee, protocols, smart home, smart meter.
1
CAPITULO I
1. ANTECEDENTES
1.1. Nombre del Proyecto
“ANÁLISIS DE PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN PARA UNA RED DE ÁREA DEL
HOGAR DE UNA RED ELÉCTRICA INTELIGENTE”
1.2. Descripción del Problema
En la actualidad la sociedad necesita grandes cantidades de energía para el funcionamiento de
su industria, el comercio, transporte, hogares, etc. Siendo éste recurso tradicionalmente
proporcionado por combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), los cuales son recursos no
renovables, es decir que están limitados y terminarán por agotarse. Lográndose tener un modelo
energético altamente contaminante, y con una demanda creciente exponencial. Sin embargo, según
los datos del Banco Mundial, en 2014 esta forma de generar energía representaba el 80,8% a nivel
mundial. (AIE, 2017). En el futuro, las fuentes de energía renovable tendrán un papel dominante
en la generación de electricidad y se enfocarán en alcanzar una mayor eficiencia para su consumo,
a través de una correcta administración de los recursos energéticos en sus diferentes etapas de
producción y en especial en la etapa de distribución, la cual presentan mayores pérdidas,
provocando enormes impactos económicos, sociales y ambientales.
Es por todo ello que, mediante el desarrollo tecnológico, ha definido un nuevo paradigma en la
industria eléctrica, las llamadas “Redes Inteligentes” o “Smart Grids”. Debido a la conciencia
ecológica que ha despertado en todos los órdenes sociales, las nuevas redes eléctricas inteligentes
integran las energías renovables a gran escala e incorpora Tecnologías de Información y
2
Comunicación (TICs) a las redes eléctricas ya existentes, maximizando la eficiencia desde la
generación hasta el consumo, con la colaboración de sistemas de monitoreo, control,
infraestructura de comunicación, sensores, medición inteligente, etc. (Ortega, 2012) (SIEMENS,
2016).
En Ecuador, la matriz de energía primaria ha sido históricamente el petróleo. Por el contrario,
las energías renovables no han tenido mucha participación en la producción energética nacional.
Sin embargo, la generación de hidroenergía ha aumentado en 72% entre 2000 y 2015, y las energías
eólica y fotovoltaica empezaron a usarse en el país desde el 2007, no obstante, tienen un porcentaje
muy bajo de implantación en el país. En 2015, la producción de energía primaria fue de 225
millones de BEP, el petróleo representó el 88% de esta cantidad, el gas natural obtuvo el 4% y las
energías renovables alcanzaron el 7%. (MICSE, 2016) Con respecto a la demanda de energía en
el país, según datos publicados en el Plan Maestro de Electrificación 2013-2022 por el Consejo
Nacional de Electricidad (CONELEC), el Ecuador pasará de un promedio del 5,5% en el
incremento anual de la demanda de electricidad registrado entre el 2000 y el 2012, a tasas de
crecimiento que llegarán hasta el 21,3% anual en el 2017. (Maldonado, 2017) Es por todo ello y
con el objetivo de optar por nuevas tecnologías en la búsqueda de resolución de problemas
relacionados a la alta demanda y eficiencia, se encuentra vigente el Programa “REDES
INTELIGENTES ECUADOR” (REDIE), el cual se encuentra en la primera fase, por lo que
todavía no es visible el despliegue de las redes eléctricas inteligentes, que aporten a la disminución
de pérdidas en las etapas de distribución de energía y los procesos de gestión, administración y
automatización, medición inteligente entre otros, para garantizar servicios de calidad al usuario
final. (CENACE, 2015)
3
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Analizar los protocolos de comunicaciones para usarse en una red de área del hogar (HAN) de
una red eléctrica inteligente, basado en un estudio teórico del mercado de las tecnologías
inalámbricas usadas en redes eléctricas inteligentes.
1.3.2. Objetivos Específicos
Realizar el estado del arte de los protocolos de comunicación más usados en una red de área del
hogar, en los países con mayor despliegue de redes eléctricas inteligentes.
Determinar las fortalezas, debilidades y problemas encontrados en los protocolos de
comunicación más comunes usados en una red para el hogar de una red eléctrica inteligente.
Definir parámetros para la creación de un nuevo protocolo de comunicaciones, para
interconectar dispositivos en una red de área del hogar de una red eléctrica inteligente.
1.4. Alcance
En la primera parte se realizará una investigación acerca del estado del arte, sobre la realidad
de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas usadas en redes eléctricas inteligentes en los
países con mayor presencia y despliegue de dicha tecnología, en los 5 Continentes. Se enfocará en
aspectos tales como, importancia, pros – contras, evolución y tendencias de las tecnologías de
comunicaciones inalámbricas dentro de las redes inteligentes y las redes de área del hogar (HAN);
4
con el propósito de comprender la situación actual, definir el punto de partida y hacia donde el
Ecuador puede apuntar en el desarrollo de una red eléctrica inteligentes.
A continuación, se define teóricamente cuáles son las fortalezas y debilidades que presentan los
principales protocolos de comunicación más usados en las redes de área de hogar (HAN), y la cual
se enfocará en aspectos tales como, importancia, pros – contras, aspectos económicos (costos,
perdidas), técnicos (análisis de tramas, retardo, procesamiento, seguridad, entre otros), se
analizarán parámetros de propagación, con el fin de seleccionar y determinar qué tipo de protocolo
de comunicación necesita realmente las redes del hogar de una red eléctrica inteligente.
Posterior al análisis y resultados obtenidos de los dos primeros objetivos, se especificarán
teóricamente que tipos de parámetros con los que debe contar un protocolo de comunicación en
una red de área del hogar. Se fundamentará en un protocolo y/o la combinación de varios existentes
con la meta de obtener un protocolo que brinde las mejores prestaciones desde distintos aspectos.
Cabe recalcar que la propuesta se fundamentará únicamente en los resultados obtenidos en este
estudio y no se realizará ninguna simulación. Sin, embargo un trabajo futuro se realizarán las
simulaciones y las implementaciones para corroborar los resultados de éste trabajo teórico.
Finalmente, para dar terminado el proyecto, se dará a conocer las respectivas conclusiones y
recomendaciones obtenidas de la investigación. Dando los cimientos para que se permitan
desarrollar nuevos temas de investigación e implementación sobre la temática de las redes
eléctricas inteligentes.
5
1.5. Justificación
En Ecuador una de las iniciativas que impulsa el Gobierno Nacional es el cambio de la matriz
energética, dando apertura a la introducción, desarrollo e impulso de nuevas tecnologías que
aporten con el medio ambiente, por lo cual a través del Ministerio de Electricidad y Energía
Renovable-MEER lleva adelante desde octubre del 2015 el “Análisis para la Implementación de
Redes Inteligentes en Ecuador” mediante la ejecución del Programa de Redes Inteligentes-REDIE,
cual tiene como objetivo habilitar la operación en tiempo real de las redes y hacer uso eficiente de
la energía, a través de la introducción de nuevas tecnologías que aseguren una alta relación
beneficio-costo, mejorar la calidad de generación con un mínimo costo y maximizar el uso de la
infraestructura eléctrica. (CENACE, 2015) (INER, 2015) Por lo que REDIE se constituye en un
marco referencial único para la gestión y ejecución de diferentes proyectos e iniciativas en los
ámbitos de la generación, transmisión, distribución eléctrica en el país. Por lo tanto, las Redes
Eléctricas Inteligentes constituyen un cambio de paradigma y proponen otros métodos de solución
innovadoras para el País. (CENACE, 2015).
Debido al gran desarrollo de las comunicaciones, han llevado a que nuevas tecnologías como
las redes eléctricas inteligentes (Smart Grid), sean desplegadas alrededor del mundo, por lo que es
importante mencionar que para alcanzar una adecuada comunicación de datos, es necesario el
análisis de protocolos de comunicación que trabajan en ambientes tradicionales, se adapten y
trabajen de forma más eficiente para una red del hogar de una red eléctrica inteligente. Es por ello
que mediante el desarrollo de éste proyecto tiene como finalidad, analizar qué tipos de protocolos
de comunicación son los ofrecen mejores prestaciones y así determinar los parámetros que requiere
dicho protocolo de comunicación, para un ambiente de una red eléctrica inteligente de red de área
del hogar.
6
El presente proyecto de titulación pretende aportar al desarrollo de las telecomunicaciones en
Ecuador, ya que por medio de ello se intenta determinar, una línea base para establecer una
Plataforma de administración y gestión del consumo energético en un hogar, la cual se encuentra
en proceso de desarrollo, dirigida por el Ing. Fabián Cuzme, docente de la Universidad Técnica
del Norte, de la cual éste proyecto forma parte. Por lo que dicho proyecto y con miras hacia un
futuro, Ecuador pueda contar con una plataforma de gestión propietaria y así contribuir con el
cambio de la matriz productiva mediante el desarrollo de nuevas tecnologías, y donde el Gobierno
Nacional es el gran impulsor de tales proyectos.
7
CAPITULO II
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
El presente capítulo muestra el estudio de los fundamentos teóricos de las redes eléctricas
inteligentes y sistemas de comunicación, tecnologías de comunicación que son adaptadas para la
implementación de las redes eléctricas inteligentes y el despliegue de esta nueva tecnología en el
mundo, aspectos que permiten conocer como los sistemas de generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica tradicionales, mediante la implementación de nuevas tecnologías
innovadoras, permiten mantener una adecuada eficiencia energética y gestión de la creciente
demanda de energía eléctrica.
2.1. Red Eléctrica Inteligente
Los sistemas de red eléctrica básicamente fueron diseñados para satisfacer las necesidades del
siglo pasado, desde sus inicios la generación eléctrica se concentraba en enormes plantas
centralizadas, que a través de transformadores generadores pasaban a una red interconectada de
alta tensión, conocida como red de transmisión y que se encarga de transportar la energía eléctrica
a través de una serie de transformadores de distribución hacia los circuitos finales para la entrega
al usuario final. Tradicionalmente los sistemas de red eléctrica para aumentar la generación de
energía y compensar así el incremento de la demanda actual, se centraban en la necesidad de buscar
e implementar nuevas facilidades generadoras, como la energía hidroeléctrica, energía nuclear o
combustibles fósiles, trayendo consigo un gran impacto ambiental por las emisiones de CO2. Es
por ello que hoy en día existe una gran preocupación por parte del sector eléctrico a nivel mundial,
por cambiar su tradicional sistema de red, y así descarbonizar el suministro de electricidad,
mediante el reemplazo de activos obsoletos y apoyándose en el uso efectivo de las tecnologías de
8
la información y la comunicación (TIC) para su desarrollo. Por lo tanto, la introducción de una
Red Inteligente o Smart Grid (SG) es una oportunidad para modernizar el sistema de energía
eléctrica tradicional, mediante la mejora de la supervisión y control de la red eléctrica con el
propósito de obtener una operación efectiva, flexible y de menor coste.
2.1.1. Conceptos
Una red inteligente o su traducción al Inglés Smart Grid, es una combinación de varias
tecnologías que aportan a la renovación e innovación de las redes eléctricas convencionales con el
fin de ofrecer soluciones al usuario final y el medio ambiente. La red eléctrica inteligente no posee
una definición exacta por lo que a continuación se citará algunas definiciones realizadas por
diversos actores u organizaciones.
Según European Technology Platform la define como: " Una Red Inteligente es una red
eléctrica que puede integrar de manera inteligente las acciones de todos los usuarios conectados a
ella (generadores, consumidores y aquellos que hacen ambas cosas) para entregar de manera
eficiente suministros de electricidad sostenibles, económicos y seguros. "
Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos: "Una red inteligente utiliza
tecnología digital para mejorar la confiabilidad, seguridad y eficiencia (tanto económica como
energética) del sistema eléctrico de gran generación, a través de los sistemas de entrega a los
consumidores de electricidad y un número creciente de recursos de generación distribuida y
almacenamiento"
De acuerdo a Smarter Grids: The Opportunity define que: “Una red inteligente utiliza detección,
procesamiento integrado y comunicaciones digitales para permitir que la red eléctrica sea
observable (capaz de ser medida y visualizada), controlable (capaz de ser manipulada y
9
optimizada), automatizada (capaz de adaptarse y auto-sanar), completamente integrado
(totalmente interoperable con los sistemas existentes y con la capacidad de incorporar un conjunto
diverso de fuentes de energía)."
2.1.2. Beneficios de una Red eléctrica inteligente
El despliegue de la red eléctrica inteligente trae consigo grandes beneficios tanto para los
servicios públicos, consumidores y la sociedad. En los servicios públicos se tendrá mejoras en la
reducción de pérdidas de energía en la distribución, la creciente demanda, la mejora de capacidades
y monitoreo de la red, seguridad y calidad de suministro, y un ahorro considerable sobre costos de
mantenimiento y gastos de capital diferido. También se considera que los benéficos para
consumidores o clientes, están relacionados a la mejora de control sobre el consumo de energía en
los electrodomésticos del hogar, a través de mayor información de la oferta, para tener un cambio
de comportamiento del consumidor sobre el uso de la electricidad y lograr un ahorro en los costos
de energía. Finalmente, los beneficios de la red eléctrica inteligente enfocada a la sociedad, permite
la reducción de emisiones de CO2 al medio ambiente, dado a la implementación de energías no
contaminantes al sistema de generación eléctrica y la integración de vehículos eléctricos. A
continuación, se especifican los beneficios más relevantes que ofrecen las redes eléctricas
inteligentes:
Servicios públicos.
- Garantizar óptimos niveles de fiabilidad, seguridad y calidad del suministro de energía.
- Mejora de la capacidad y eficiencia de los sistemas eléctricos existentes redes de energía.
- Permite el mantenimiento predictivo y la recuperación autocurativa
- Mejora de la fiabilidad y calidad de la potencia.
10
- Evita la construcción de las plantas de energía de respaldo.
- Mejoras sobre las perdidas y perturbaciones del sistema eléctrico.
- Automatización de mantenimiento y operación de la red.
- Facilitar y mejorar la conexión y el funcionamiento de los generadores de todo tipo de
tamaños y tecnologías.
- Incremento de la seguridad de la red eléctrica.
Consumidores.
- Proporcionar a los consumidores mayor información de la oferta.
- Permitir a los consumidores formar una parte importante en la optimización del sistema.
- Permite habilitar nuevos productos y servicios enfocados al consumo eficiente de energía.
- Los precios en tiempo real permiten a los consumidores mover parte de su consumo de
electricidad a períodos de tarifas más bajas.
- A través de pantallas, teléfonos celulares, etc, el consumidor podrá ver el consume de
electricidad, permitiendo un cambio de comportamiento más eficiente en términos de
energía y un ahorro de costos de energía.
Sociedad.
- Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la integración de
fuentes no contaminantes.
- Reducir el impacto medioambiental del sistema eléctrico de suministro.
11
2.1.3. Tecnologías Requeridas
En éste apartado se describe las tecnologías que son requeridas para la implementación y
desarrollo de una Red Eléctrica Inteligente, como las tecnologías de la información y
comunicación, tecnologías enfocadas a la medición, control y automatización de la red eléctrica,
tecnologías de almacenamiento de energía y electrónica de potencia.
Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC): Los sistemas de red eléctrica en apoyo
de las comunicaciones, software y hardware permiten el transporte de datos de manera
bidireccional entre los diversos componentes que conforman una red de potencia, y en un enfoque
hacia el usuario final, se puede proporcionar información más amplia acerca de la demanda y
consumo de cargas. Ofrecer una adecuada respuesta sobre fallas ocurridas en los sistemas de
distribución de energía, y proporcionar seguridad mediante los sistemas de información y
comunicación.
Tecnologías de detección, medición, control y automatización: Dentro de estas tecnologías
incluyen: Los dispositivos electrónicos inteligentes (DEI), los cuales ofrecen una adecuada
protección avanzada en la transmisión de energía eléctrica, así también asegurar las mediciones,
registros de fallas y registros de eventos en un sistema de red inteligente. Uso de las Unidades de
Medición Fasorial (PDU) ofrecen mayor supervisión, protección, análisis y control, para garantizar
la seguridad de los sistemas eléctricos de potencia. Apoyo de sensores integrados, medición y
monitoreo sensible, además de una administración automatizada evitan que se produzcan
congestiones en los circuitos de transmisión y distribución, interviniendo de forma rápida para
garantizar una operación adecuada de los componentes y respuestas a eventos ocurridos en los
sistemas de potencia. Los medidores inteligentes, a través de hardware y software en un ambiente
12
de usuario final, permiten un mayor monitoreo y control sobre el uso de electricidad mediante
información en tiempo real. Sistemas de facturación precisas, información detallada de consumo,
permiten una administración precisa de la demanda de los consumidores.
Electrónica de potencia y almacenamiento de energía: Con el propósito de incorporar fuentes
de energía renovable al sistema de red inteligente es necesario la aplicación de los Sistemas de
Transmisión de Corriente Alterna Flexible (FACTS), además que el desarrollo de esta tecnología,
facilita el control los flujos de potencia de una red, mejoras en la capacidad de transferencia, evitar
las oscilaciones del sistema de potencia, para brindar mayor flexibilidad del sistema, evitando las
fallas o daños en equipos y limitaciones en la capacidad de transmisión. Incorporación del Sistema
de Corriente Continua de alta tensión (HVDC por sus siglas en inglés) a la red, permitiendo el
transporte de energía a larga distancia y un menor espacio, mejor precisión en el control de voltaje
y dirección del flujo de potencia, para alcanzar estabilidad de la red y evitar apagones de energía
ocasionados por desconexiones en cascada. Obteniéndose grandes beneficios mediante esta
tecnología en relación de costos y un impacto ambiental muy bajo.
2.1.4. Estándares
Para garantizar una operación de alta eficiencia, confiabilidad y seguridad de los sistemas de
red inteligente, es necesario que se establezcan ciertos estándares o protocolos. Actualmente se
han propuestos varios estándares, pero otros están en etapa de estudio debido a que deben ser
adaptados a los nuevos desarrollos de redes eléctricas inteligentes.
13
Los estándares más relevantes dentro de las Redes Inteligentes, son establecidos por la IEEE
(Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) y IEC (Comisión Electrotécnica Internacional),
y estos son los siguientes:
IEEE 1547
IEC 61850-7-420
IEC 61400-25
IEEE 1379
IEEE C37.118
IEEE 519
- IEEE 1547 o Estándar para la interconexión de recursos distribuidos con sistemas de
energía eléctrica, se publicó en el año 2003 por el consejo de normas de la IEEE, el cual
provee una serie de criterios y requisitos para la interconexión de los recursos de generación
distribuida con la red eléctrica. Proporciona requisitos relevantes para el rendimiento de
interconexión e interoperabilidad, operación y prueba, y consideraciones de seguridad,
mantenimiento y seguridad.
- IEC 61850-7-420 “Estructura de comunicación básica - Nodos lógicos de recursos de
energía distribuida”: Es un estándar relacionado con las interfaces de comunicación y
control para todos los dispositivos de recursos de energía distribuidos DER, además que se
encarga de definir los modelos a utilizar para el intercambio de datos entre los DER. A
través del estándar es posible una implementación simple, ahorros en la instalación y
mantenimiento, así también como el aumento de la confiabilidad y eficiencia dentro de las
operaciones del sistema de energía.
- IEC 61400-25: Comunicaciones para monitoreo y control de plantas de energía eólica. El
estándar forma parte del subconjunto de IEC 61400, estándar para el diseño de turbinas
eólicas. El estándar define la comunicación necesaria para el monitoreo y control de las
2
plantas de energía eólica, y mediante la simplificación de los roles entre la turbina eólica y
los sistemas SCADA, estableciendo un base para especificaciones y contratos de
adquisición. Además, el estándar establece el control y la supervisión de la información
proveniente de diferentes proveedores de turbinas eólicas de manera homogénea.
- IEEE 1379: Estándar publicado en 2000, establece una serie de normas para las
comunicaciones e interoperación de unidades terminales remotas y dispositivos
electrónicos inteligentes (IED) en una subestación. Los protocolos involucrados en esta
norma son IEC 60870-5 y DNP3, los cuales son los más utilizados para Control de
Supervisión y Datos Sistemas de adquisición (SCADA).
- IEEE C37.118: El estándar se encarga de definir los sistemas de medición de fasores
sincronizados (sincrofasor) frecuencia y velocidad de cambio de frecuencia para sistemas
de potencia. Se establecen una unidad de medida fasorial (PMU), la cual puede ser una
unidad física independiente o una unidad funcional dentro de otra unidad física que estima
un sincrofasor. Además, el estándar brinda el método preciso para evaluar la medición de
PMU y establece los requisitos de cumplimiento cuando su estado es estacionario, logrando
mediciones de frecuencia fasorial, magnitud y ángulo, distorsión armónica interferencia
fuera de banda. Por otra parte, IEEE C37.118 no especifica hardware, software o un método
para calcular fasores, frecuencia o el índice de cambio de frecuencia (ROCOF).
- IEEE 519: Práctica recomendada IEEE y Requisitos para el control armónico en Sistema
de energía eléctrica. El estándar define los límites de las amplitudes armónicas para
corrientes y voltajes en el punto de acoplamiento común (PCC), permitiendo garantizar
que la empresa eléctrica pueda distribuir al usuario final energía relativamente limpia y a
3
través de ello asegurar y proteger el equipo eléctrico mediante la reducción de la
interferencia y sobrecalentamiento, además se evitan pérdida de vidas por exceso de
corrientes armónicas y previenen tensiones de tensión excesivas debido a armónicos de
tensión excesiva.
- Para las redes de comunicación en redes eléctricas inteligentes como; WAN, FAN y HAN
se han establecido los siguientes estándares: G3-PLC, Home Plug, PRIME, U-SNAP, IEEE
P1901, Z-Wave, IEC 61970 e IEC 61969 e IEC 60870-6. Estos estándares se estarán
describiendo y ampliando en el siguiente apartado.
2.2. Sistemas de Comunicación en una Red Eléctrica Inteligente
La incorporación de los sistemas de comunicación a la red de energía eléctrica, ha permitido
que se desarrolle una nueva infraestructura de comunicación, la cual conectada a la generación de
energía, la transmisión, los sistemas de distribución y puntos de consumo, siendo las
comunicaciones un componente esencial para el desarrollo de la Red Inteligente que garantice la
seguridad, fiabilidad, flexibilidad, gestión de la demanda de respuesta y otras características como
el aumento de la confiabilidad y la autoconciencia. Además, los sistemas de comunicación han
permitido que a través de la digitalización de los datos de electricidad y de control se pueda crear
una automatizada y amplia red eléctrica distribuida.
2.2.1. Infraestructura
Una red eléctrica inteligente bien puede considerarse como una red de muchos sistemas y
subsistemas que interconectados de manera inteligente proporcionan un suministro de energía
confiable y rentable para aumentar la respuesta de la demanda. Además, la red inteligente se
4
logrará superponiendo la infraestructura de comunicación en infraestructura de sistema eléctrico,
con el fin de la aplicación técnicas de comunicación avanzadas, se logre una mejora de la
confiabilidad, seguridad, interoperabilidad y eficiencia de la red eléctrica, además de reducir los
impactos ambientales y promueve el crecimiento económico.
Las infraestructuras de comunicación de una Red Inteligente pueden optar de dos formas, las
públicas o privadas. Las redes públicas tales como Internet y por otra parte las redes móviles 2G,
3G y 4G se destacan por presentar un bajo costo, pero debido a las comunicaciones existentes,
pueden generar una serie de problemas, entre los cuales se encuentra la falta de eficacia, seguridad,
comunicación en tiempo real y confiabilidad. Pero dichos problemas pueden ser resueltos a través
de las redes privadas virtuales (VPN por sus siglas en ingles). Las propias líneas de distribución
de energía eléctrica actúan como comunicación, por medio de la tecnología de comunicación de
línea de alimentación (PLC), junto con una combinación de cableado y las tecnologías
inalámbricas, se logra crear así una infraestructura de comunicación compleja pero altamente
confiable.
La Figura 1 muestra una vista general jerárquica del panorama de la red inteligente, su relación
con los dominios NIST y ejemplos asociados de componentes y tecnologías. Cada tecnología,
dominio, y miembros interactuarían entre sí para proporcionar cualquiera de los objetivos
comerciales, tecnológicos y sociales de la red inteligente. (Cambridge, 2012). Gracias a la
infraestructura de medición avanzada (AMI) es posible la interacción de sistemas y tecnologías,
dado que permite el flujo bidireccional de información y energía en apoyo de la gestión de recursos
de energía distribuida (DER) o la generación distribuida (DG) y el consumidor final.
5
Figura 1. Infraestructura de comunicación para redes eléctricas inteligentes
Fuente: (Cambridge, 2012)
2.2.2. Subredes de comunicación de una Red eléctrica inteligente
Las comunicaciones en un Sistema de red eléctrica inteligente, se pueden dividir en tres
categorías o capas distintas, de acuerdo a criterios tales como el área de cobertura, la velocidad de
transmisión de datos y el rango. La Figura 2 muestra las velocidades de transmisión y cobertura
de cada subred.
- Red de área Domestica (Home Area Network - HAN).
- Redes de área de Campo (Field Area Networks - FAN).
- Red de área Amplia (Wide Area Networks WAN).
6
Figura 2. Velocidades de transmisión y rango de cobertura para WAN, FAN y NAN.
Fuente: Adaptado por el Autor
Las Redes de área amplia (WAN): Son aquellas redes que proporciona comunicación entre la
empresa eléctrica y subestaciones. Esta red también es denominada como una red de comunicación
troncal, la cual tiene como característica un gran ancho de banda y una trasmisión de datos a larga
distancia entre los servicios eléctricos y las subestaciones, para detección, monitoreo y control de
redes inteligentes. (Gungor, et al., 2013) Afirma que las WAN establecen una red de comunicación
bidireccional con propósitos de monitoreo en aplicaciones Smart grid, en donde dichas
aplicaciones requerirán de ciertas características, tales como una interfaz única de comunicación,
respuestas en tiempo real y QoS, según sea el caso, como por ejemplo las aplicaciones como la
subestación automatizada requiere de un gran ancho de banda y tiempo real, o aplicaciones como
AMI que requieren un ancho de banda considerable y gran velocidad de datos.
Las redes de área de campo (FAN por sus siglas en inglés): Son aquellas redes de comunicación
destinada para las áreas de distribución de energía, entre los que incluyen dispositivos de control
y automatización, comunicados por redes entre conexiones de servicio individuales y puntos de
retorno a los servicios eléctricos. En términos generales las FAN actúan como un lazo entre las
7
subestaciones de energía y las instalaciones domiciliarias o de cliente. (Gungor, et al., 2013)
Afirma que una característica de las FAN es la presencia de los nodos inteligentes, los cuales son
los encargados de interconectar al cliente con la subestación con el objetivo de manejar la
información de los diferentes puntos que intervienen en la red, dichos nodos se encuentras
conectados por medio de una puerta de enlace centralizada respaldada por servicios eléctricos para
poder transmitir los datos recolectados. Para poder asegurar una comunicación confiable las FAN
presentan canales de ancho de banda y recursos inalámbricos logrando ser muy robustos. El área
de cobertura de las FAN incluye los sectores urbanos y suburbanos y rurales, estos rangos de área
de aplicación de las FAN han permitido que aplicaciones como la infraestructura de medición
avanzada, la automatización de distribución avanzada e integración de recursos de energía
distribuidos, logren ser totalmente compatibles con las FAN.
Las redes de área del Hogar (HAN): Este tipo de red de comunicación interviene desde el
medidor de consumo de energía eléctrica hasta los dispositivos y aparatos eléctricos ubicados
dentro del hogar. (Gungor, et al., 2013) Afirma que las HAN se encargan de la gestión del lado de
la demanda (DMS), ya que por medio de la conectividad de medidores inteligentes es posible
brindar información al cliente sobre costos de uso de electricidad, gestión del comportamiento de
consumo y toma de control sobre dispositivos o aparatos inteligentes. Para las comunicaciones las
HAN requieren un bajo ancho de banda de soporte entre los electrodomésticos y medidor
inteligente. Para las HAN son varias las aplicaciones que a un futuro pueden desarrollarse, tales
como; mejoras en los contadores inteligentes, aplicaciones enfocadas a predicciones de costos de
energía, comportamientos de consumo adecuado, concientización de consumo, gestión adecuada
sobre cargas, entre otras.
8
2.2.3. Arquitectura de una Red de Comunicación
La red inteligente requerirá una arquitectura de sistema abierto como plataforma de integración,
estándares y protocolos técnicos de comunicaciones compartidos y sistemas de información que
funcionarán a la perfección entre la gran cantidad de dispositivos y sistemas inteligentes. Esto
dificulta la realización de una arquitectura única y compuesta. De hecho, la red inteligente puede
contener muchas arquitecturas de sistema desarrolladas independientemente o en asociación con
otros sistemas. Por lo que según varios autores una red eléctrica inteligente puede adoptar un
modelo de cinco capas, esta arquitectura multicapa se encuentra distribuida de la siguiente manera:
- Capa del sistema de alimentación: Esta capa se enfoca en el sistema eléctrico de potencia,
como la generación de potencia, transmisión y distribución de energía hacia el cliente final.
- Capa de control de potencia: En esta capa se encuentran los diferentes sistemas, equipos o
dispositivos, los cuales permiten el control de potencia en una red eléctrica inteligente,
entre dichos dispositivos están: PMUs, banco de capacitores, recolectores, interruptores,
medidores sensores, almacenamiento, etc.
- Capa de comunicación: Es la capa de mayor importancia dentro de un sistema de red
inteligente, ya que aporta a la red la interconexión entre todos los sistemas y dispositivos
de las diferentes etapas del sistema eléctrico. La capa de comunicación, se clasifica según
el área de cobertura, velocidad de transmisión y el rango, para las 3 redes de comunicación
existentes: WAN, NAN, HAN.
9
- Capa de seguridad: Es la capa que se encarga de proporcionar a la red eléctrica inteligente,
la protección de la información, a través de sistema de autenticación, control de acceso,
cifrado, protección sobre la integridad de la información y privacidad.
- Capa de aplicación: Es la última capa de la arquitectura multicapa de la red eléctrica
inteligente, ofrece el acceso hacia los demás servicios de las anteriores capas a través de
las aplicaciones finales y manejo de datos, por ejemplo: medición avanzada, respuesta de
la demanda, gestión de interrupciones, gestión de activos, detección de fraudes y múltiples
aplicaciones destinadas al cliente final.
La figura 3, muestra el despliegue de la arquitectura de comunicación en sus diferentes capas
para una red eléctrica inteligente.
Figura 3. Arquitectura multi-capa de una red eléctrica inteligente.
Fuente: (Vehbi C Güngör, 2011)
Por lo tanto, se podría decir que la arquitectura general de una red eléctrica inteligente, tendría la
estructura tal como se muestra en la figura 4, donde se detallan los dos niveles, la red de energía y
la red de comunicaciones, las cuales conforman la arquitectura general de una red eléctrica
inteligente.
10
Figura 4. Arquitectura general de una red eléctrica, b) Arquitectura general de una red de comunicación en
Smart Grid.
Fuente: (Sarijari, et al., 2013)
2.3. Tecnologías de Comunicación
En ésta sección se realiza una descripción de las principales tecnologías de comunicación tanto
cableadas e inalámbricas que son adoptadas en las redes eléctricas inteligentes. Las diferentes
formas de establecer comunicación sobre un sistema eléctrico se indica en la Figura 5.
Figura 5. Diagrama de tecnologías de Comunicación involucradas en SG.
Fuente: El Autor.
11
2.3.1. Comunicación mediante tecnología alámbrica:
En general, las tecnologías de tipo alámbrica son aquellas que a través de cableado se establece
comunicación mediante un enlace físico entre el emisor y receptor. Son varias las tecnologías que
aportan al desarrollo e implementación para sistemas de redes inteligentes, éstos se describen a
continuación:
PLC (Power Line Communication):
(Janaka Ekanayake, 2012) y (Vehbi C Güngör, 2011) Afirman que las comunicaciones por línea
de potencia son aquellas que utilizan las líneas de distribución de energía eléctrica como medio
para transmitir datos o información a alta velocidad (2-3 Mbps) entre dispositivos. PLC ofrece la
posibilidad de enviar datos simultáneamente con electricidad en el mismo medio, para ello se usa
la Unidad de adaptación de línea (LMU), para inyectar señales en una línea de transmisión o
distribución de alta tensión. La utilización de trampas de línea sobre la red, permite que la señal
inyectada no se desvié o se propague por otras rutas de la red. PLC ha sido la primera opción para
la comunicación con el medidor de electricidad debido a la conexión directa con el medidor y
logrando ser una tecnología muy sencilla de implementar especialmente en los sectores urbanos.
En una red típica de PLC, los medidores inteligentes se conectan al concentrador de datos a través
de líneas eléctricas y los datos se transfieren al centro de datos a través de tecnologías de red
celular. Uno de los principales problemas encontrados en PLC es la interferencia ya que la señal
de comunicación va directamente en la línea de alimentación, así también la distorsión del canal y
atenuación de la señal. En PLC existen grandes dificultades para alcanzar altas velocidades de
transmisión.
12
Fibra Óptica:
(Janaka Ekanayake, 2012) Afirma que la transmisión sobre fibra óptica se usa tanto dentro de
las subestaciones como para la transmisión de datos a larga distancia. Las fibras ópticas a menudo
están incrustadas en los conductores trenzados de los cables blindados (tierra) de las líneas aéreas.
Estos cables se conocen como cables de conexión óptica (OPGW). Un cable de tipo OPGW
contiene una estructura tubular con una o más fibras ópticas, rodeadas por capas de acero y alambre
de aluminio. Las fibras ópticas pueden envolverse alrededor de los conductores de fase o, a veces,
un cable independiente, se utiliza un cable auto-soportante completamente dieléctrico (ADSS). En
comparación con otros medios de comunicación, los cables de fibra óptica tienen un ancho de
banda mucho mayor, menor susceptibilidad a la degradación de la señal y menor peso en
comparación al cobre. A diferencia de las señales eléctricas en cables de cobre, las señales de luz
en una fibra, no interfieren con las de otras fibras en el mismo cable. Además, la transmisión de
fibra óptica es inmune a la interferencia electromagnética externa (EMI). Esto es importante en las
aplicaciones del sistema de potencia ya que se requiere la transmisión de datos a través del área
eléctricamente hostil de una subestación. Las principales desventajas de la transmisión de fibra
óptica incluyen el costo, los requisitos especiales de terminación y su vulnerabilidad (es más frágil
que el cable coaxial).
2.3.2. Comunicación mediante tecnología Inalámbrica:
Las tecnologías de tipo inalámbricas son todas aquellas que tienen como medio de
comunicación el aire y no se tiene un enlace físico entre los dispositivos de la red. Las tecnologías
inalámbricas son una gran alternativa al uso de tecnologías cableadas, ya que aportan muchas
ventajas sobre las implementaciones cableadas, una de ellas es el costo reducido de la
13
infraestructura, ya que no se requiere cableado físico entre los diferentes nodos separados en una
red implementada a través de tecnología inalámbrica. (Richard Peter Lewis, 2009) Afirma que la
desventaja en este tipo de tecnología es que existen preocupaciones sobre la interceptación de la
información, ya que se propaga a través del espacio físico y puede ser captada por cualquier
persona dentro del alcance del dispositivo transmisor. Entre las tecnologías inalámbricas en redes
eléctricas inteligentes esta las siguientes:
Comunicación por Radio:
(Janaka Ekanayake, 2012) Afirma que los enlaces de radio brindan una alternativa para la
comunicación entre el Centro de control y las subestaciones, ya que, por lo general, los centros de
control de datos sueles estar distantes de las subestaciones de energía, por lo que el uso de una red
cableada de cobre o fibra óptica es demasiado costoso. Pero existen ciertas limitaciones con este
tipo de tecnología ya que la comunicación no se puede proporcionar el ancho de banda que ofrece
la tecnología por cable, pero debido a las mejoras de los últimos años, la confiabilidad, el
rendimiento y los costos de funcionamiento de las redes de radio han mejorado considerablemente,
por lo cual se convierte en una opción atractiva. Las comunicaciones por radio pueden ser
multipunto o punto a punto, y funcionan normalmente en frecuencias UHF (entre 300 MHz y 3
GHz) o en frecuencias de microondas (entre 3 y 30 GHz).
Comunicación móvil celular:
(Janaka Ekanayake, 2012) Afirma que la tecnología móvil celular ofrece comunicación entre
objetos en movimiento. Para que esto sea posible, un área de servicio se divide en pequeñas
regiones llamadas celdas. Cada celda contiene una antena que es controlada por una oficina de
Conmutación de Telefonía Móvil (MTSO). En una red celular, el MTSO asegura la continuación
14
de la comunicación cuando un dispositivo móvil se mueve de una celda a otra. (Xi Fang, 2012)
Afirma que la comunicación móvil celular ha sido una tecnología madura comprobada para la
transmisión de datos durante varias décadas. Al utilizar los sistemas celulares de comunicación 3G
o incluso 4G, es rápido y económico obtener cobertura de comunicaciones de datos en una gran
área geográfica.
Comunicación por satélite:
Los satélites se han utilizado durante muchos años para las redes de telecomunicaciones y
también se han adoptado para los sistemas de supervisión y adquisición de datos (SCADA). Una
red de comunicación por satélite puede considerarse como una red de microondas con un satélite
que actúa como repetidor.
En general, las tecnologías cableadas son mejores que las inalámbricas en términos de ancho
de banda, costo, contabilidad, seguridad, mantenimiento y por el ahorro en cuanto al pago del
espectro. Por otro lado, las tecnologías inalámbricas son la última tendencia, debido a la
escalabilidad, flexibilidad y reconfigurabilidad (desde el punto de vista de los operadores) y la
movilidad, característica más atractiva para el cliente final.
2.3.3. Tecnologías utilizadas en diferentes subredes SG
Tecnologías de la serie IEEE 802.1x
IEEE 802 es un proyecto desarrollado por IEEE, cuyo fin se centra en el desarrollo de estándares
para redes de área local y redes de área metropolitana. Para una red eléctrica inteligente los
estándares IEEE 802 son aplicables tanto en subredes WAN en sistemas SCADA, NAN alrededor
de las redes de distribución y HAN en las instalaciones de los consumidores.
15
Ethernet: Es una tecnología de comunicación basada en tramas sobre el estándar IEEE 802.3,
es utilizada para redes de área local cableadas para ordenadores. Ethernet hace uso del medio
compartido donde más de un dispositivo intenta usar el medio en común, tal efecto produce que
las tramas que son transmitidas por el medio colisionen, este problema se resuelve a través del
protocolo de acceso múltiple sensible a la portadora con detección de colisiones (CSMA/CD).
Cuando se transmiten dos tramas simultáneamente se crea una colisión y a través del protocolo
CSMA/CD se genera un dominio de colisión, por otro lado, Ethernet lleva tramas de difusión y el
dominio al cual llegan dichas tramas se denomina dominio de difusión. Por lo tanto, en una red
Ethernet el rendimiento se ve afectado por la forma en que los dominios de colisión y difusión se
encuentran en la red, por lo que la aislación de dichos dominios es importante para obtener un
rendimiento adecuado en la red. (Janaka Ekanayake, 2012) Ethernet debido a su simplicidad es
utilizada ya que provee facilidad en mantenimiento, capacidad para incorporar nuevas tecnologías
y confiabilidad. Tiene un bajo costo de instalación y es fácil de actualizar. Su banda de base se
define en una serie de estándares tales como 10Base5, 10Base2, 10Base-T, y así sucesivamente.
El primer número, es decir, 1, 10, define la velocidad de datos en Mbps, el último número o letra
indica la longitud máxima del cable y el tipo del cable. Una LAN Ethernet consta de todos o
algunos de los dispositivos tales como; repetidores, hub, bridge, router, y switch.
Wireless LANs: El estándar IEEE 802.11 describe la LAN inalámbrica (WLAN). La
interoperabilidad de los dispositivos IEEE 802.11 está certificada por WiFi Alliance. Las WAN
constan de los siguientes componentes: estación, puntos de acceso y sistema de distribución. La
familia WLAN hace uso del protocolo CSMA / CA para acceder al medio de transmisión. En la
16
Figura 6 se muestra una aplicación típica de WLAN 802.11 en aplicaciones de redes eléctricas
inteligentes.
Figura 6. Aplicación típica de una WLAN en SG.
Fuente: (Janaka Ekanayake, 2012)
Bluetooth: Esta tecnología se encuentra definida por el estándar IEEE 802.15.1, diseñada para
conectar dispositivos móviles o fijos mediante la transmisión de radio de baja potencia y corta
distancia. Desde sus inicios se concibió como una alternativa inalámbrica a los cables de datos
EIA 232. En Bluetooth se define dos tipos de arquitecturas de red llamadas piconet y scatternet.
Piconet es una red bluetooth que consta de un dispositivo maestro y hasta siete dispositivos
esclavos. Scatternet es el conjunto de piconets interconectados entre sí, ya puede ser a través de un
puente que podría ser un esclavo de un piconet y maestro de otro piconet o esclavo de dos piconets.
Existen dos tipos de enlaces Bluetooth para la transferencia de datos, el primero es orientado a
conexión síncrona (SCO) y el segundo es un enlace sin conexión asíncrona (ACL). SCO se utiliza
17
cuando la entrega oportuna es más importante que la entrega sin errores y ACL se usa cuando la
entrega sin errores es más importante que la entrega oportuna. Bluetooth tiene su versión clásica
actualmente definida por Bluetooth 3.0 + HS y la nueva la versión definida por Bluetooth 4.0, la
cual está diseñada para aplicaciones que requieren un bajo consumo de energía y transferencia de
pequeños datos con baja latencia. La figura 7 ofrece una descripción técnica de estas dos versiones
de Bluetooth. (Janaka Ekanayake, 2012)
Figura 7. Especificaciones técnicas de Bluetooth 3.0 y Bluetooth 4.0
Fuente: (Janaka Ekanayake, 2012)
ZigBee: Es una tecnología de comunicación inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.15.4.
ZigBee posee características tales como un bajo consumo de energía, alta flexibilidad en redes y
bajo costo. En esta tecnología se crea una red auto organizada ad-hoc interconectando dispositivos
fijos, portátiles y móviles. En redes eléctricas inteligentes ZigBee es ideal para iluminación
inteligente, monitoreo de energía, domótica y lectura automática de contadores, etc, debido a su
simplicidad, movilidad, robustez, requisitos de bajo ancho de banda, bajo costo de
implementación, su funcionamiento dentro de un espectro sin licencia, fácil implementación de
red.
18
WiMax: La interoperabilidad mundial para acceso por microondas (WiMax) es una tecnología
inalámbrica definida por el estándar IEEE 802.16. Proporciona conectividad fija y móvil utilizando
una técnica llamada acceso múltiple por división ortogonal de frecuencia (OFDMA).
(Janaka Ekanayake, 2012) Afirma que WiMax promete introducir un estándar inalámbrico de
largo alcance que se extiende hasta 50 km y alto ancho de banda, velocidades máximas de datos
de 75 Mbps para conexiones fijas y hasta 15 Mbps para conexiones móviles. WiMax trabaja bajo
licencia, lo cual hace que sea una tecnología más segura y confiable. A través del estándar
mejorado IEEE 802.16m-2011se espera se aumente las velocidades de datos a 200 Mbps en carga
y 300 Mbps en descarga. La principal desventaja de WiMax es que al utilizar una red con licencia
es más costosa, aún no se ha implementado a escala, por lo que sigue siendo una tecnología no
probada. La figura 8 indica la típica instalación de una red Wimax.
Figura 8. Red típica WiMax
Fuente: (Janaka Ekanayake, 2012)
Comunicaciones Móviles:
El estándar que define a esta tecnología es GSM (Sistema Global para Comunicaciones
Móviles). GSM, se desarrolló el Servicio general de radio por paquetes (GPRS). GPRS utiliza la
red GSM existente y agrega dos nuevos elementos de red de conmutación de paquetes. En
19
diciembre de 1998 se lanzó un proyecto llamado Proyecto de Asociación de Tercera Generación
(3GPP). El objetivo del proyecto 3GPP era desarrollar sistemas móviles de tercera generación (3G)
basados en GSM, GPRS y EDGE (velocidades de datos mejoradas para la evolución GSM). El
proyecto se construyó sobre la comunicación de datos en lugar de la voz. Este proyecto evolucionó
rápidamente para proporcionar muchas tecnologías diferentes, tales como GSM/EDGE, HSDPA,
HSUPA, HSPA, LTE, LTE Advanced. Las velocidades de datos de las diferentes tecnologías que
evolucionaron bajo 3GPP. La figura 9 muestra las especificaciones técnicas de velocidad de
transmisión de cada una de las tecnologías móvil celular.
Figura 9. Especificaciones técnicas de las tecnologías de la familia 3GPP
Fuente: (Janaka Ekanayake, 2012)
LTE: Es una tecnología que compite con WiMax y admite la movilidad del usuario hasta 350
km / h, cobertura de hasta 100 km, ancho de banda de canal hasta 100 MHz con eficiencia espectral
del enlace descendente 30 bps / Hz y el enlace ascendente 15 bps / Hz. tiene la ventaja de que
puede admitir una conexión perfecta a redes existentes, como GSM y UMTS.
(López, 2016) Afirma que las ventajas que provee LTE, es una baja latencia y alta capacidad.
Totalmente integrado con 3GPP, (grupo de asociaciones de telecomunicaciones que asientan las
especificaciones y estándares para un sistema de comunicación global 3G). Movilidad total para
más y mejores servicios multimedia. Bajo consumo de energía. Las ventajas radican en que por
20
parte del proveedor de servicio, debe alquilar la infraestructura de una compañía. Difícilmente
disponible en muchos mercados, alto coste de los equipos y falta de experiencia en el diseño de
redes.
2.3.4. Aplicación de Tecnologías en redes WAN, FAN, HAN
Comunicación WAN:
La comunicación remota se realiza entre la herramienta y los medidores inteligentes es esencial
para intercambiar información relevante, como señales de precios o información de tarifas con el
cliente. Las redes celulares, WiMAX y las comunicaciones por cable se pueden contar como las
mejores tecnologías candidatas para WAN. Es importante destacar que el sistema de distribución
de backhaul actúa como un punto de agregación entre FAN y WAN, como una subestación, un
concentrador de datos, un punto de acceso de RF o una torre de comunicaciones que recopila la
información de medición total y la transfiere a la red de comunicación principal. Además, los
puntos de agregación pueden servir como puntos de almacenamiento de energía para la energía de
respaldo en el período de interrupciones críticas y otras necesidades específicas. Otra tecnología
que se prefieren son las comunicaciones por fibra óptica y microondas para requisitos de gran
ancho de banda y comunicación confiable, ya que este sistema es el punto de agregación donde se
recopilan grandes cantidades de datos críticos para su transmisión a la parte de atrás. Las
tecnologías inalámbricas autorizadas y sin licencia y las tecnologías fijas de comunicación por
cable pueden utilizarse para transferir datos desde puntos de agregación a los centros de datos
backhaul. Al final, la tecnología de comunicación dependerá principalmente de su rentabilidad y
de su capacidad para proporcionar una cobertura adecuada.
21
Comunicación FAN:
La elección de la tecnología de comunicación varía para FAN de acuerdo con diferentes
aplicaciones de red inteligente. Algunas empresas eléctricas prefieren hacer uso de fibra óptica que
tengan una baja latencia y un rendimiento de comunicación superior, otros prefieren WiMAX,
donde las tecnologías de malla celular y RF no tienen cobertura en el área. Además, las tendencias
actuales de comunicación en los sistemas de automatización de distribución y automatización de
subestaciones de FAN se basan en el uso de IEC 61850 (Comisión Electrotécnica Internacional),
que proporciona interoperabilidad entre dispositivos electrónicos inteligentes y una mejor
comunicación de dispositivo a dispositivo, la latencia para los datos de misión crítica de FAN es
entre 3-10 ms con la integración del protocolo IEC 61850. Comunicaciones inalámbricas tales
como las tecnologías de malla Wi-Fi, WiMAX y de radiofrecuencia (RF) son adecuadas para las
comunicaciones FAN.
Comunicación de HAN:
La Asociación de Fabricantes de Electrodomésticos (AHAM) ha realizado investigaciones
sobre las tecnologías de comunicación que mejor satisfacen los requisitos de los electrodomésticos
inteligentes. Esta investigación ha demostrado que ZigBee, Wi-Fi, HomePlug, Z-wave y M-Bus
son los candidatos para la categoría HAN. ZigBee tiene la capacidad de operar en una topología
de red en malla, lo que ofrece algunas ventajas, es decir, algunos dispositivos en una malla ZigBee
pueden permanecer en modo de suspensión cuando no están activos en la red, lo que resulta en la
conservación de energía. Por otro lado, Z-wave es un estándar inalámbrico sin interferencias que
fue específicamente diseñado para el control remoto de los dispositivos y ampliamente utilizado
22
para HAN. Pero las tecnologías Wi-Fi, ZigBee, HomePlug y Z-wave, aun no han sido
estandarizados completamente para modelos de información de la capa aplicación.
La tabla 1 muestra las diferentes tecnologías de comunicación que son aplicables para las
distintas subredes de comunicación WAN, FAN, HAN.
Tabla 1
Aplicación de tecnologías de comunicación en subredes WAN, FAN, HAN.
Sub-Red Tecnologías de comunicación
WAN MPLS, WiMAX, LTE, Frame Relay
FAN
PLC, BPL, DLS, EDGE, Metro Ethernet, HSPA, UMTS, LTE, WiMax, Frame
Relay.
HAN Ethernet, WLAN, PLC, ZigBee, Bluetooth, Z-Wave.
Nota: Tomada de (Janaka Ekanayake, 2012)
Un ejemplo de la aplicación de las tecnologías de comunicación alámbricas e inalámbricas en
una red inteligente, en sus diferentes subredes WAN, FAN, HAN, se muestra en la figura 10, donde
para el despliegue de la red del hogar los dispositivos electrónicos inteligentes se comunican con
el medidor inteligente a través de tecnologías como WIFI, Zigbee o PLC. Para la red de campo los
sistemas de medición inteligente de cada cliente se comunican a un concentrador o access point
mediante una red de malla wireless mesh. Finalmente, para una red WAN, los hogares están
conectadas a su servicio eléctrico a través de tecnologías por fibra óptica, de satélite, de
microondas o celulares. Una subestación se comunica con una utilidad eléctrica sobre
comunicación por la línea eléctrica.
23
Figura 10. Ejemplo de aplicación de tecnologías en una red inteligente.
Fuente: (Y. Peizhong, 2011)
2.4. Red de Área del Hogar (HAN)
Como se indico en anteriores apartados, una HAN es un subsistema importante y el más
pequeño en la cadena jerárquica de la red inteligente, se caracteriza por ser una red de
comunicaciones de corto alcance, es responsable de la administración del lado de la demanda
(DMS), que incluye la gestión de la eficiencia energética y la respuesta a la demanda de usuarios
y consumidores de energía.
HAN consiste en dispositivos inteligentes con sensores y actuadores, dispositivos domésticos
que consumen energía eléctrica, como electrodomésticos, iluminarias, termostatos, bombas de
24
agua, y otros dispositivos en el entorno de una vivienda o edificio para controlar la información al
detalle sobre el uso de energía, permitiendo un mejor consumo y también ajustar el patrón de
consumo de energía. El objetivo de esta subred es que sea transparente a las superiores,
interactuando con ellas independientemente de las tecnologías utilizadas, (ya que no existe una
estandarización en las tecnologías a nivel doméstico). Estas redes a su vez pueden estar conectadas
a otros elementos auxiliares del cliente, como fuentes de energía renovable y dispositivos de
almacenamiento.
(Jokar, Nicanfar, & Leung, 2011) Afirma que la tecnología de comunicación para la HAN debe
usar la menor potencia posible, ya que la eficiencia energética es el objetivo principal de la red
inteligente en primer lugar. En América del Norte, Australia, Alemania y el Reino Unido, la
tecnología inalámbrica es la dominante para HAN, mientras que, en muchos otros países,
especialmente en Europa, el carrier de línea de potencia (PLC) es la tecnología HAN líder. Según
un estudio de General Electrics, entre WiFi (802.11n) y ZigBee (802.15.4), que son las dos
tecnologías que mejor cumplen con los requisitos HAN, ZigBee es al menos dos veces más
rentable y eficiente. De hecho, en Norteamérica, ZigBee se ha convertido en el estándar líder para
la interfaz inalámbrica HAN.
Si las personas conocen cuánta energía consumen por dispositivo y cuánto les costará esta
energía en un período de tiempo determinado, podrían cambiar su patrón de uso de buena gana.
Las empresas de servicios también pueden tener derecho a apagar o reducir el consumo de energía
de un dispositivo específico en HAN automáticamente durante un corto período de tiempo al
transmitir señales de control a HAN a través de medidores inteligentes. Esto puede ser una gran
25
ayuda para las empresas eléctricas para hacer frente a la sobrecarga causada por las demandas pico
de electricidad.
2.4.1. Arquitectura y elementos que componen una HAN
(Sarijari, et al., 2013) Afirma que, en una red de área del hogar de una Red Inteligente, los
posibles tipos de dispositivos son: 1) dispositivos inteligentes, 2) un medidor inteligente, 3) una
pantalla en el hogar, 4) almacenamiento y generación de energía distribuida, tal como se indica en
la figura 11.
(INER, 2015) Afirma que todos estos dispositivos tendrán capacidades de comunicación
bidireccional para realizar las funcionalidades SG HAN, que incluyen:
- Respuesta de demanda: esta función permite a las empresas de servicios públicos enviar
un evento de control de carga a los dispositivos SG-HAN a través del medidor inteligente
para solicitar el apagado o la demora de la operación cuando la fuente de alimentación está
en riesgo. Esta función también permite que los dispositivos SG-HAN, como la lavadora,
funcionen solo durante el bajo precio de la electricidad.
- Infraestructura de medición avanzada: esta función se utiliza para fines de medición.
Además, las empresas de servicios públicos también lo utilizan para enviar información a
los dispositivos SG-HAN, incluidos los precios de electricidad en tiempo real.
- Almacenamiento distribuido de energía y generación distribuida: además de generar y
almacenar electricidad para el uso doméstico, esta función también permite que la
electricidad se pueda vender nuevamente a los servicios públicos cuando hay un extra,
26
especialmente durante el alto precio de la electricidad. También es interesante mencionar
que, el vehículo eléctrico es también un tipo de almacenamiento de energía en SG-HAN.
Elementos de una Red de Área de Hogar (HAN):
1) Dispositivos electrónicos inteligentes: Son todos los dispositivos de consumo eléctrico que
pueden transmitir información en una red de comunicación. Entre estos dispositivos están
los electrodomésticos, calefacción, dispositivos de aire acondicionado, iluminarias, entre
otros.
2) Medidor Inteligente: (Naruchitparames, Güneş, & Evrenosoglu, 2011) Afirma que los
medidores inteligentes son dispositivos programables de estado sólido que realizan muchas
más funciones, incluyendo la mayoría o todos de los siguientes: precios basados en el
tiempo, datos de consumo para el consumidor y utilidad, medición neta, notificación de
pérdida de potencia (y restauración), encendido remoto / apagar las operaciones, limitar la
carga para fines de "mal pago" o de respuesta a la demanda, prepago de energía, monitoreo
de calidad de energía, detección de robos de energía, comunicaciones con otros dispositivos
inteligentes en el hogar y actuar como puerta de enlace (Gateway) entre los dispositivos de
hogares inteligentes y entidades externas, proteger la privacidad del usuario al ocultar
componentes individuales de la empresa eléctrica.
3) Pantallas en el hogar: Para aplicaciones y sistemas de gestión eléctrica inteligente, es
necesario del uso de pantallas, con el fin de visualizar la información a detalle del consumo
de energía, dispositivos en uso, demanda, patrones de consumo, etc. Estas pantallas o
monitores serán el medio el cual el usuario puede interactuar.
27
4) Almacenamiento y generación de energía distribuida:
(López, 2016) Afirma que la generación de energía distribuida es una red donde los usuarios
pueden pasar a ser también proveedores, gracias al desarrollo de las tecnologías de energía
renovable, por ejemplo, mediante una instalación solar fotovoltaica en el hogar podría
proveer energía para una red inteligente.
Figura 11. Arquitectura general de una HAN y sus elementos.
Fuente: (Sarijari, et al., 2013)
2.4.2. Protocolos de Comunicación
Un protocolo de comunicación, es el conjunto de reglas que gobiernan la comunicación entre
diferentes entidades o dispositivos y se encargan de definir: el qué, cómo y cuándo, se establece
una comunicación, por medio de una serie de elementos que lo conforman:
28
- Sintaxis: Estructura de los datos.
- Semántica: Significado de la cadena de bits
- Temporización: Es la rapidez con la que se comunican los dispositivos.
Los protocolos de comunicación bien pueden ser desarrollados de forma abierta, donde
cualquiera puede hacer uso del protocolo, o desarrollados de forma privada, donde determinados
fabricantes establecen restricciones y condiciones de uso del protocolo privado, y existen los
protocolos de comunicación abiertos con cierta restricción, en la cual múltiples fabricantes pueden
utilizar el protocolo, pero antes se debe de adquirir una licencia.
En redes eléctricas inteligentes se han desarrollado una serie de protocolos de comunicación
para ambientes de las HAN por diferentes entidades, y puestos en marcha en diferentes dispositivos
electrónicos inteligentes del hogar, por ejemplo, en España y Europa, los protocolos de
comunicación que más se utilizan son: Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave, RF, Insteon, UPB, Bluetooth
Smart, Apple HomeKit, Samsung SmartThings, Thread.
Otros expertos indican que, dependiendo de los electrodomésticos, los fabricantes utilizan las
siguientes tecnologías inalámbricas, como ZigBee, WiFi, Z-Wave y RFID, y menor escala
tecnologías cableadas como PLC, I2C y SPI para el desarrollo de redes de área del hogar.
En el capítulo 3 se analiza en profundidad cada protocolo de comunicación para una red de área
del hogar, la aplicación, características, ventajas y desventajas de cada uno de ellos.
2.4.3. Seguridad
La red inteligente tiene el potencial de brindar eficiencia, flexibilidad, flexibilidad, robustez,
participación del consumidor, etc. al agregar una capa cibernética a la red eléctrica y al
29
proporcionar flujo de energía bidireccional y comunicaciones de datos. Sin embargo, agregar una
capa cibernética puede exponer la red inteligente a amenazas de seguridad cibernética.
Las redes de área doméstica (HAN) son subsistemas dentro de AMI, responsables de la
transferencia de datos entre los medidores inteligentes y dispositivos eléctricos domésticos. El uso
potencial de las comunicaciones inalámbricas y su ubicación en un entorno físicamente inseguro
hace de HAN uno de los sistemas más vulnerables de la red inteligente.
Amenazas de seguridad HAN
(Shein, 2010) Afirma que los activos de infraestructura de AMI se dividen en dominios privados
y públicos. El dominio privado incluye sistemas que son similares a los activos de tecnología de
la información (TI) estándar, como el sistema de gestión de datos del medidor (MDMS) y la
cabecera AMI. Estos sistemas contienen una gran cantidad de datos críticos; sin embargo, están
ubicados en un centro de datos que es físicamente un entorno seguro. Al asegurar estos sistemas,
se aplican varias soluciones de seguridad disponibles y mejores prácticas estándar para centros de
datos. Los activos de dominio público, por otro lado, son en su mayoría diferentes de los sistemas
de TI estándar. Los recopiladores de datos, los medidores inteligentes, los electrodomésticos, etc.,
emplean una variedad de tecnologías inalámbricas y se encuentran en un entorno inseguro. Estos
sistemas están expuestos al público, lo que los hace más vulnerables a las amenazas de seguridad.
Al mismo tiempo, las soluciones de seguridad existentes no son aplicables a estos sistemas.
Otro problema desafiante en la seguridad del futuro HAN es el hecho de que, a diferencia de
las HAN tradicionales, donde el propietario es el único que se beneficia del buen comportamiento
y la seguridad de la red, aquí participan dos partes. Muchas personas con motivaciones diferentes
pueden comprometer los aspectos de integridad, confidencialidad y disponibilidad de la seguridad
de HAN. Un cliente no ético, que quiere reducir su carga de electricidad, o para obtener el control
30
de un dispositivo especial, que de acuerdo con el acuerdo de utilidad del cliente está bajo el control
de la utilidad, podría manipular los informes de uso o los mensajes de control. Un adversario puede
enviar falsas señales de control a los dispositivos HAN o realizar un ataque de denegación de
servicio (DoS) para interrumpir simplemente la disponibilidad del servicio de sus vecinos o para
perpetrar intenciones maliciosas más. Un espía podría escuchar el tráfico de la red para obtener
información valiosa sobre el uso de energía de un hogar. (Shein, 2010) Afirma que se transmitirán
casi 9,000 puntos de datos por hogar anualmente, lo que demuestra por qué la privacidad es una
gran preocupación en el contexto de la red inteligente y por qué empresas como Google han
mostrado interés por esta tecnología.
2.5. Sistema de Medición inteligente:
Los medidores inteligentes (Smart meter), en términos generales son dispositivos que permiten
registrar diversas variables eléctricas, tanto para facturación horaria como para calidad de servicio.
Además de trasmitir alertas de pérdidas de suministro, reprogramación tarifaria a distancia, cambio
de horario verano e invierno vía remota y efectuar cortes y reposiciones a distancia, entre otras
acciones.
Aunque cada experto tiene su propia definición de AMI, existe un acuerdo general sobre
características y funcionalidades mínimas de un sistema de medición inteligente. El consultor
propone la siguiente definición de medidor inteligente que se compone del siguiente set de
funcionalidades básicas:
1. Los Medidores registran consumo durante periodos de tiempo específico (máximo15
minutos). Considera la posibilidad de tomar las muestras de energía y potencia cada un
determinado lapso de tiempo.
31
2. Medición bidireccional, positivo aditivo. Hace referencia a la posibilidad de medir tanto
los retiros de electricidad que el consumo efectúa de la red como eventuales inyecciones
que el efectúe al sistema, donde esta condición se presenta en el caso que el genere e inyecte
sus excedentes al sistema. De igual manera la componente reactiva deberá ser considerada
en ambas direcciones, con lo cual se tiene que estos medidores deben ser capaces de medir
en los cuatro cuadrantes.
3. Canal de comunicación que permite a la empresa, obtener lectura de la demanda y emitir
órdenes al medidor para realizar tareas específicas. Este atributo da cuenta de la posibilidad
que el sistema de administración de medidas de la empresa distribuidora pueda obtener la
información de consumo de los clientes, y eventualmente en caso que la opción tarifaria
del cliente lo permita, ella pueda tomar medida sobre determinado equipamiento.
4. El medidor está conectado a un sistema que permite informar al cliente en tiempo real sobre
su uso actual u otra información diseñada para ayudar al cliente a gestionar el costo y uso
de electricidad, Este atributo se relaciona con la capacidad de informar en línea sobre
parámetros que le permitan definir a este sobre la conveniencia de aumentar o disminuir
consumos.
5. Corte-reposición remoto. Se refiere a la posibilidad de efectuar el corte y reposición del
suministro, asociado al no pago de la cuenta correspondiente, de manera remota sin la
necesidad de enviar a personal a que efectúen dicha acción.
6. Limitación de potencia para gestión de planes de control de la demanda. Se refiere a la
posibilidad de ajustar los consumos de los clientes a un determinado nivel de potencia, ya
32
sea porque la tarifa del cliente lo permite o porque si bien se ha efectuado el corte del
suministro por razones de no pago, se proporciona un nivel de consumo básico al usuario.
7. Opciones multi-tarifas / Tiempo de Uso y precios flexibles. Este atributo se refiere a la
posibilidad que el usuario pueda optar en línea por distintas opciones tarifarias.
8. Alerta de ausencia de tensión: Se refiere a la capacidad de los medidores e comunicar a la
central que el equipo no tiene tensión lo que se puede asociar a la falla del sistema de
distribución.
Variables de medición Inteligente
Las variables eléctricas que son consideradas en la medición inteligente son:
Tensión RMS, media, Máximo y Mínimo. (V fase y V linea)
Frecuencia, media, Máximo y Mínimo.
Potencia Aparente y Factor de Potencia.
Distorsión armónica THD. (hasta la armónica 31)
En el caso de considerar todas estas variables, ellas se pueden integrar en tiempos menores de
hasta 1 minuto, pero se almacenan menos datos. No obstante, lo anterior, la capacidad de
almacenamiento supera los dos meses.
Respecto de los parámetros de desempeño de los sistemas de comunicación asociados a los
medidores inteligentes, para los cuales deberían establecerse exigencias mínimas de diseño y
operación se tiene por ejemplo que para el sistema AMI, se define la confiabilidad como la
cantidad de medidores que se comuniquen para ser leídos una vez al día. En este caso un 95% es
33
aceptable, pero entre 97% y 98% el sistema está operando en forma correcta, ya que habrá
medidores que no pueden comunicarse.
Con respecto a la latencia, que se puede asociar al tiempo de respuesta de un medidor frente a
una consulta del sistema central, se pueden considerar dos conceptos:
Latencia de medidor por sí solo, que corresponde a una consulta tipo “sobre demanda” a
un solo equipo. En este caso el tiempo de respuesta es sobre 10 segundos, pudiendo llegar
a demorar 20 segundos. En el caso de PLC twacs y RF Mesh el tiempo de respuesta es
alrededor de 20 segundos aproximadamente.
Latencia para un conjunto de medidores, asociada a una consulta masiva de equipos. En
este caso hay una mayor dependencia de la tecnología de comunicación y de la cantidad de
equipos interrogados. En el caso de PLC twacs la consulta de 5.000 medidores se puede
realizar en una hora.
2.5.1. Principales componentes de la Infraestructura de medición avanzada
AMI considera el sistema de software y hardware que incluye los medidores en un lado y la
aplicación de uso de datos en el otro. Las componentes principales son:
Dispositivo de comunicación (AMCD). Este dispositivo es parte del medidor o como
un componente externo, que se encarga de transmitir las lecturas desde el medidor
directamente o indirectamente al computador de control.
Computador de control o colector (AMCC) que se utiliza para recibir o enviar y
temporalmente almacenar las lecturas de medidor antes de enviar a los servidores de la
compañía.
34
Red de comunicación de área amplia (WAN) que transmite entre AMCC y los
servidores de la compañía.
Un sistema AMI se suele complementar con un sistema de gestión de datos de medidor (MDM)
y un repositorio de datos de medición (MDR), que permiten una administración global de la
información recopilada. A continuación, en la figura 12, se presenta un diagrama con la relación
de las componentes principales de un sistema AMI:
Figura 12. Componentes Sistemas AMI
Fuente: (Consultores:, 2016)
2.5.2. Variables de medición:
En un sistema de medición inteligente el flujo constante de información desde consumidores
hacia distribuidora y viceversa es de gran importancia para ejecutar las siguientes acciones:
35
Lectura de los medidores en forma remota y automática.
Desconexión y conexión remota del suministro, mediante la existencia de un relé operado
según reglas del negocio.
Posibilidad de integrar los procesos de facturación existentes. A través de la comunicación
fluida del sistema comercial y MDM.
Limitación remota, de la potencia de suministro, produciendo una desconexión del
consumo cuando cliente supere cierto nivel de potencia.
Detección de robo de energía, con la existencia de sensores de intervención del medidor.
Optimización de redes y detección de pérdidas técnicas, gracias a software de balances de
energía.
Disposición de mayor información para los consumidores sobre las unidades medidas y
facturadas.
Respuestas de los consumidores, ante estímulos de precio u otros incentivos.
Incorporación de micro generación, por parte de los consumidores, al sistema eléctrico de
la suministradora del servicio, por la existencia de una contabilización de la energía en
forma bidireccional.
2.5.3. Tecnologías de Comunicación en sistemas AMI
Son varios los dispositivos y equipos utilizados en sistemas AMI disponibles en el mercado, pero
la gran diferencia radica en la tecnología usada para comunicación entre los medidores y los
servidores de la compañía eléctrica. En la actualidad hay dos tecnologías de comunicación
claramente predominantes en los sistemas AMI disponibles en el mercado:
36
- Portador de línea de potencia (PLC): La tecnología PLC aprovecha la red eléctrica para
convertirla en una línea digital de transmisión de datos. Algunos sistemas pueden ser
exclusivamente BT o MT, mientras que otros son capaces de trasmitir señales a través de
líneas en ambos niveles de tensión.
- Para el caso de PLC de baja frecuencia (PLC BF) incluye AMCD en cada medidor, un
transformador en la cabecera del alimentador para inyectar la señal al alimentador, un
amplificador de señal y la unidad procesadora. Este tipo de tecnología también se conoce
como PLC Twacs.
- Para el caso de PLC de alta frecuencia (PLC AF), además del AMCD en cada medidor, se
debe incluir en cada transformador de distribución un colector que se comunica con el
MDM centralizado mediante una red WAN.
La figura 13 muestra la tecnología de comunicación PLC utilizada en sistemas AMI
Figura 13. Diagrama Red PLC Simplificada
Fuente: (Consultores:, 2016)
37
Radiofrecuencia (RF): La técnica RF hace uso del espacio aéreo para la transmisión de señales y
consiste en nodos principales equipados con antenas sirviendo de repetidoras. Usualmente operan
a UHF (frecuencia ultra alta). Se clasifican en dos grupos principales:
- Largo Alcance (RF de largo alcance)
- MESH (RF-Mesh)
Sistema RF de largo alcance, utiliza concentradores que reciben los datos desde el dispositivo
de comunicación en los medidores (AMCD) y los envían a continuación a MDM mediante una red
WAN. La figura 14 muestra la conformación el sistema de radio frecuencia de largo alcance.
Figura 14. Sistema RF de Largo Alcance en SG
Fuente: (Consultores:, 2016)
Los sistemas RF de largo alcance pueden ser difícil de expandir con una buena calidad de señal
en ciertas condiciones geográficas. Para enfrentar esta dificultad se desarrolla un nuevo tipo de red
denomina RF-Mesh, donde cada nodo puede operar como receptor y trasmisor. Esto permite
expandir el alcance geográfico de los sistemas RF y reducir errores o fallas de comunicación. La
figura 15 muestra cómo opera una red RF Mesh en sistemas AMI.
38
Figura 15. Sistema RF Mesh en una AMI
Fuente: (Consultores:, 2016)
2.6. Despliegue de Redes Inteligentes
2.6.1. América
Canadá:
El sistema eléctrico canadiense refleja altos estándares de confianza y capacidad, siendo el
quinto productor a nivel mundial, con exportaciones de aproximadamente 51GWh anuales a los
Estados Unidos en los últimos periodos. Esta gran estructura energética se basa en enormes plantas
de generación eléctrica que aprovechan economías de escala derivadas de una concentración de
recursos a nivel regional, fundamentalmente el recurso hidráulico en el norte del país, y en una
desarrollada red de interconexión provincial integrada a los EEUU en conjunto con un eficaz
sistema de intercambio eléctrico interestatal. A pesar que el sistema electrificación canadiense
39
tiene una estructura eléctrica desarrollada y brindar energía a un bajo costo, se está explorando
nuevas tecnologías que permitan la modernización de su red eléctrica, con el propósito de
incrementar los niveles de confianza, automatización, seguridad en la red y la búsqueda de un
sistema que respete el medio ambiente. Es por ello que se estableció la asociación Smart Grid
Canadá, la cual se compone de varias empresas, instituciones académicas, compañías tecnológicas
especializadas en Smart Grids, y otras entidades. Generalmente esta asociación se centra en tareas
de difusión de información y concientización en redes inteligentes, investigación tecnológica,
estrategias para la integración de energías renovables, financiándose con aportes voluntarios de
sus miembros.
Con respecto al despliegue de tecnología de medición inteligente, el Ministerio de
electrificación de Canadá estableció objetivos de implementación de contadores inteligentes, el
despliegue propuesto fue de 800,000 instalaciones de medidores inteligentes para el 2007 y una
cobertura completa para todos los ambientes residenciales y de pequeñas empresas para el 2010.
Entre las entidades involucradas en la medición inteligente incluyeron el Ministerio, Operador
Independiente del Sistema Eléctrico (IESO), la Junta de Energía de Ontario (OEB) y otras 73
empresas locales de distribución de electricidad de Ontario, incluida Hydro One. Para mayo de
2014, ya había alrededor de 4.8 millones de medidores inteligentes instalados en Ontario, que
cubrían la parte residencial y pequeñas empresas, y representaban el 45% de toda la electricidad
consumida en la provincia. (Smart Metering Initiative, 2014)
Brasil:
En Brasil, pese a la modernización del sector eléctrico, todavía conserva características
estructurales muy similares a las iniciales al momento de la implementación del mercado. Los
40
cambios en las redes de distribución, en los niveles de automatización, en las fuentes puntuales de
generación distribuida y en la medición electrónica, han sido graduales y tienen un alcance
limitado, sin lograr caracterizar completamente el concepto de Redes Energéticas Inteligentes.
El estado tiene un papel fundamental como promotor y creador del proceso, en un movimiento
similar a lo que Estados Unidos y la Unión Europea han hecho, respetando las especificidades de
la realidad brasileña. El estado además de proponer lineamientos de políticas públicas que inducen
y ordenan a los distintos actores involucrados, deberá crear mecanismos de seguimiento,
evaluación e incentivos que sean compatibles entre sí, lo que permitirá maximizar el beneficio
social de esta evolución tecnológica. Además, la implementación de redes eléctricas inteligentes
de forma sostenible, depende de la creación de una infraestructura adecuada y apropiada para las
Telecomunicaciones y Gestión de la Información (IT).
Estados Unidos:
En este país se tiene como política energética, proporcionar un suministro de energía con un
nivel de seguridad alto, mantener bajos costes de energía y proteger el medio ambiente reduciendo
el uso de fuentes de generación de energía no renovables y altamente contaminantes, a través del
desarrollo de nuevas fuentes de energía renovables, y la aplicación de nuevas tecnologías que
permitan una eficiencia energética. A pesar de que EE.UU no forma parte del tratado de Paris,
cuyo objetivo es la reducción de las emisiones de carbono, ha invertido en recursos energéticos,
para modernización de su infraestructura energética y uso de energías renovables. (López, 2016)
Según (López, 2016) el Informe de la Federación Mundial de redes inteligentes (The Global
Smart Grid Federation) de 2012, menciona que EE.UU se estableció reducir las emisión de CO2
alrededor del 17 % al finalizar el 2020. Por lo que varias empresas de electricidad del país, han
puesto en marcha el despliegue e instalación de 20.334.525 infraestructuras de medición
41
inteligente, por cuanto se tiene el 14% como tasa de penetración nacional de contadores
inteligentes, lo cual es un gran aporte dentro del cambio del tradicional sistema energético hacia
las redes eléctricas inteligentes.
2.6.2. Europa
Según la Europa 2020, la unión europea se ha propuesto lograr un crecimiento inteligente,
sostenible e integrador en un enfoque del cambio climático y energía, sus metas son:
1. Reducir antes de 2020 las emisiones de gases de efecto invernadero en un 20% con respecto
a los niveles de 1990, y un 30% de reducción las emisiones si los demás países desarrollados
asumen el mismo compromiso y contribuyen con el acuerdo general de alcance mundial.
2. Aumentar al 20% la cuota uso de energías renovables en el consumo final.
3. Aumentar un 20% la eficiencia energética.
La Plataforma Tecnológica Europea de Redes Eléctricas del Futuro, también conocida como
Smart Grids ETP, comenzó a funcionar en el año 2005 y tiene como objetivo formular y promover
una visión para el desarrollo de las redes eléctricas europeas hacia el año 2020 y más allá.
Alemania:
Alemania, es uno de los países económicamente exitosos y eficientes del mundo, se encuentra
trabajando fuertemente en el desarrollo de energías renovables, reducción de la demanda
energética para lograr la seguridad de suministro, uso continuo de energía proveniente de centrales
nucleares o de carbón hasta que puedan ser reemplazados por una generación más limpia y segura.
La regulación del sector alemán, está a cargo del Ministerio Federal de Economía y en ciertos
ámbitos del Ministerio Federal de Asuntos Ambientales. A su vez, la Agencia Federal de la Red,
organismo dependiente del Ministerio Federal de Economía, posee un rol importante en la
42
implementación de las políticas regulatorias aplicables para el sector eléctrico. Adicionalmente la
Comisión de Monopolios es considerada como el organismo más importante consultativo en
políticas de competencia de SG y las autoridades estatales tienen impacto en las políticas
regulatorias.
España:
España se propuso a cambiar su modelo energético, según los lineamientos de Europa 2020,
donde se hace énfasis en el uso de energías renovables, aprovechamiento y gestión de la demanda,
integración generación distribuida, almacenamiento de energía y coordinación internacional de los
mercados, entre otros. Con lo que corresponde al desarrollo de redes eléctricas inteligentes en
España, está viene regulada por algunos decretos, partiendo de El Real Decreto 809/2016, donde
se estableció que para 2007, se instalen equipos de medición con características de telegestión,
luego se estableció el Decreto 1110, en el año 2007, donde se ejecuta el plan de sustitución de
medidores, para el sector domiciliario, los medidores tenían la capacidad de discriminación horaria
y telegestión, el despliegue fue del 30% de medidores en todo España, en su primera etapa y se
consideró que para finales del 2018 alcanzar el 100% de despliegue de medidores inteligentes en
el país, es decir alcanzar la cifra de 28 millones de medidores inteligentes sustituidos.
Tecnologías de Comunicación aplicadas en SG en Europa
(Andreadou, Olariaga , & Fulli, 2017) Afirma que muchos son los proveedores de energía que
han comenzado a reemplazar sus medidores tradicionales por otros inteligentes, por ende, muchos
proyectos relevantes han sido desplegados y puestos en ejecución en varios países de Europa. Pero
hay que destacar que la situación no es homogénea en toda Europa, ya que mientras algunos países
han logrado avances significativos hacia las redes inteligentes mediante la implementación de su
43
medidor inteligente, otros se prevén realizar programas piloto en el futuro. También es digno de
mención que algunos países aplican diferentes tecnologías de medición inteligente, mientras que
en otros se elige una tecnología dominante.
Una de las tecnologías que desempeña un papel importante dentro de las redes del hogar y
medición inteligente es Power Line Communications. Sin embargo, hay una variedad de
estándares / especificaciones que se pueden seleccionar. La Tabla 4 resume la información con
respecto a las principales tecnologías aplicadas para medidores inteligentes en varios países de
Europa.
Las tecnologías de comunicación que se señalan representan, las principales tecnologías
seleccionadas para un despliegue de medidores inteligentes a gran escala, como en el caso de Italia.
No se excluye el hecho de que otras tecnologías también se pueden usar o que ya se han
seleccionado para aplicaciones específicas. Además, en esta sección, también se brinda
información sobre estimaciones aproximadas de inversiones y la cantidad de medidores
inteligentes instalados, que se refieren a un proyecto específico / acciones tomadas por un
proveedor de energía específico. Es probable que se hayan llevado a cabo otros proyectos que
involucren otros escenarios de inversiones y medidores inteligentes. También en algunos casos, se
hace hincapié en la comunicación entre el medidor inteligente y un dispositivo para fines de
información del cliente, como la pantalla en el hogar.
En el Reino Unido, la tecnología especificada para este alcance es inalámbrica (segunda versión
de las especificaciones técnicas del equipo de medición inteligente) y, en particular, la
especificación de ZigBee debe soportarse dentro de la banda de 2400-2483.5 MHz. En Alemania,
uno de los proveedores de energía ha habilitado la información del cliente sobre los consumos
44
eléctricos a través de Internet. La tabla 2 se resume el despliegue de tecnologías en varios países
de Europa.
Tabla 2
Tecnologías aplicadas para medidores inteligentes en varios países de Europa.
País Tecnología Estándar / especificaciones
España NB-PLC Meters & More, PRIME
Alemania PLC - GPRS IEC 62056-21, IEC 14908
(algunos casos)
Francia NB-PLC G3-PLC, IEC 61334-5-1
Italia NB-PLC Meters & More
Ucrania NB-PLC, WAN
IEC 62056-21, Comunicación
basada en estándares abiertos
(algunos casos)
Grecia NB-PLC, GSM, GPRS IEC 62056-21, IEC 14908
(algunos casos)
Suecia NB-PLC, GSM, GPRS IEC 62056-21, IEC 14908
(algunos casos)
Fuente: (uribe, Angulo, de la Vega, & Arzuaga, 2017)
2.6.3. Asia
China:
China, considerado uno de los países más consumidor de energía eléctrica, tiene graves
problemas de contaminación ambiental por el uso de combustibles fósiles como fuente principal
para la generación de energía. Por lo que China está cambiando sus estrategias para usar la energía
renovable, aumentar la eficiencia y cultivar el ahorro de energía. Las políticas energéticas de China
priorizan la conservación de los recursos nacionales, la protección del medio ambiente, la
promoción de la innovación científica y tecnológica, profundización de la reforma, la ampliación
45
de la cooperación internacional y en mejorar la vida de las personas. El desarrollo de las redes
inteligentes en China es una de las prioridades energéticas. Estas incluyen la mejora de la eficiencia
energética, aumento en la introducción de las energías renovables y la reducción de las emisiones
de carbono. El gobierno chino ha encargado a organismos como La Comisión Nacional de
Desarrollo y Reforma (NDRC) la misión de supervisar los planes de desarrollo de redes
inteligentes, el control de los precios de la electricidad y la revisión y aprobación de los proyectos
de redes inteligentes.
China se estableció desde hace varios años en el mercado de las redes eléctricas inteligentes y
ha traído inversiones extranjeras directas (IED), como las de General Electric, Siemens, ABB y
otras. Se estima que China en la próxima década invertirá USD 75,0 mil millones en infraestructura
de red inteligente. En 2016, el mercado de redes inteligentes de China representó 1/3 del mercado
mundial de redes inteligentes. Según Goldstein Research pronostica que el tamaño del mercado de
la red inteligente de China alcanzará los USD 23.800 millones para el 2024. La red de
computadoras, el aumento de las inversiones en la infraestructura de contadores automáticos para
avanzar en la comunicación bidireccional, el desarrollo de software, el gasto público y más son
algunos de los factores que desencadenan el crecimiento del mercado de la red inteligente de
China. Las ciudades de primer nivel tienen la mayor participación del 62.1% en 2016, gracias a la
construcción de ciudades inteligentes impulsadas por el suministro de electricidad a través de redes
inteligentes, como en Beijing. Las ciudades de segundo nivel están en el camino de convertirse en
ciudades inteligentes, y así en la próxima década su presencia de suministro de energía de la red
inteligente aumentará a una tasa de 7.2% anual.
46
Japón:
El plan de energía estratégica de Japón 2010, se basa en la seguridad energética, la protección
del medio ambiente, suministro eficiente, el crecimiento económico y la reforma de la estructura
industrial de la red energética. Entre sus ambiciosos objetivos para el año 2030 están: elevar su
independencia energética al 70 %, reducir a la mitad las emisiones de CO2 del sector residencial y
el mantenimiento y la mejora de la eficiencia energética en el sector industrial colocándola en el
nivel más alto del mundo. Tras el desastre nuclear de Fukushima el Gobierno japonés ha adoptado
por la medición inteligente, como parte fundamental en la gestión de la demanda. Tokyo Electric
Power Co. (TEPCO), la compañía eléctrica de Japón, en unión con el gobierno, desplegaron
alrededor de 27 millones de contadores inteligentes para el sector residencial en el 2014, a través
los medidores, permitirá el establecimiento de la medición remota y proporcionar a los usuarios
datos detallados sobre la gestión de energía.
2.6.4. África:
Sudáfrica:
El elemento clave para que Sudáfrica logre la eficiencia energética propuesta, es mediante la
introducción de la red eléctrica inteligente. Sin redes inteligentes, la integración a gran escala es
imposible. Es por ello que se implementó el Instituto Nacional de Desarrollo Energético de
Sudáfrica (SANEDI), con la visión de tener un sistema de electricidad desarrollado y
tecnológicamente avanzado, inteligente, interactivo, flexible y eficiente, para que el uso de energía
de Sudáfrica sea sostenible, hasta el día de hoy, SANEDI ha supervisado diez proyectos piloto en
todo el país de redes eléctricas. A través de un Memorando de Acuerdo firmado con el
Departamento de Energía, el programa de redes inteligentes de SANEDI tiene la responsabilidad
47
de implementar el programa de redes inteligentes financiado por donantes de la Unión Europea
con respecto a los componentes que abordan la introducción de conceptos de redes inteligentes
dentro de la distribución eléctrica sudafricana.
(Kennedy , 2012) Afirma que el proyecto desplegado por la Comisión de Suministro de
Electricidad (ESCOM o ESKOM) denominado AMI Pilot Project - Homeflex Project, se puso en
marcha en el 2008 y con el objetivo de frenar los constantes cortes de energía, se estableció
implementar sistemas de medición inteligente en este país, llevándose a cabo entre el 2009 y 2012
la primera fase de despliegue de 10000 contadores inteligentes en las ciudades más grandes del
país, pero solamente se instalaron 3.232. Ya para la segunda fase se estableció implementar 110000
medidores. Actualmente el despliegue de sistemas de medición avanzado es alrededor 120000
contadores, que además de la medición inteligente cumplen con tareas de control de tarifas para
consumidores que sobrepasen los 1000kWh. (eskom, 2016) Menciona que se encuentra en
ejecución desde 1 de marzo de 2016 un programa de implementación de medidores prepagos
inteligentes en las ciudades de Sandton y Midrand, donde se pretende desplegar la cantidad de
10000 medidores, los cuales se proporcionan sin ningún costo y especialmente son destinados para
sus clientes residenciales. Además, que se ejecuta una serie de capacitaciones a sus clientes, sobre
el uso adecuado, concientización y beneficios de la medición preparada, eficiencia energética y
otra información útil a sus clientes.
2.6.5. Oceanía:
Australia
En este país las principales centrales de generación eléctrica están basadas en combustibles
fósiles, como el carbón y otras tecnologías térmicas, que representan el 87% de la generación
eléctrica de Australia, siendo uno de los países con mayor nivel de emisiones de gases de efecto
48
invernadero, por lo que debido a esta situación es necesario la utilización de energías renovables
y eficiencia energética, se ha establecido la meta que para el 2020 se produzca el 20% de
electricidad a través de energías renovables. Otros problemas que se encuentran en los sistemas de
generación de energía eléctrica son los crecientes costos de electricidad, infraestructura obsoleta y
la demanda creciente de energía del sector industrial y residencial. Dada la problemática que tiene
el sector eléctrico, Australia se ha visto en la necesidad de implementar nuevas tecnologías
innovadoras, siendo las Redes Eléctricas Inteligentes una solución adecuada para tales problemas
y así mejorar las operaciones de las empresas de servicios públicos y proporcionarán confiabilidad
de la red.
El gobierno australiano estableció ciertos programas de despliegue de medidores inteligentes
en el año 2012, a través de la compañía de distribución de electricidad Jemena Electricity Networks
(JEN), donde se desplegaron 310.000 contadores inteligentes a consumidores residenciales y
pequeños comercios, culminándose el despliegue al 100% a finales del 2014.
Con respecto a las redes inteligentes del hogar en Australia, la automatización del uso final de
la electricidad en el hogar es una parte clave de una red inteligente madura, permitiendo a las redes
de rechazar o desconectar la energía de un hogar en función del cliente. Para ello es necesario la
instalación de infraestructura más allá del medidor inteligente, incluyendo el uso de redes de área
doméstica (HAN) habilitadas con tecnología ZigBee y Wi-Fi en los electrodomésticos inteligentes.
49
CAPITULO III
En el presente capítulo, se analiza los protocolos más utilizados para establecer comunicación
en una red de área del hogar, éste análisis se basa en la investigación bibliográfica exploratoria,
donde se analizaran los resultados obtenidos en proyectos pilotos de redes eléctricas inteligentes,
,proyectos en ejecución, o artículos científicos donde se pone en discusión el uso eficiente de
comunicación en los diversos dispositivos que intervienen en una red de área del hogar para una
red eléctrica inteligente.
3.1. Requerimientos de una red HAN
Para el adecuado estudio de protocolos de comunicación es necesario describir cuales son las
características o requerimientos que debe tener una aplicación en un ambiente de la red del hogar.
Los requisitos a nivel de las comunicaciones para las principales aplicaciones ejecutadas en una
red de área del hogar son:
3.1.1. Tecnología.
Una HAN básicamente se caracteriza por la agregación de diversos dispositivos en una misma red
en un hogar con el fin de gestionar el uso de energía, por lo que para la interconexión de múltiples
equipos no es aplicable el uso de tecnología con un medio de transmisión cableado para un
despliegue total de una red para el hogar, ya que si se podría usar dicha tecnología para la
interconexión de sensores o nodos que requieran una transmisión más fiable o mayor ancho de
banda, por lo que es recomendable para este tipo de ambiente HAN, el uso de medios inalámbricos,
o debido a la aplicación que se requiera es necesario el uso de una red híbrida, comprendida en
entre tecnología inalámbrica y cableada. Por otro lado el uso de tecnología inalámbrica en una red
de área del hogar trae consigo grandes beneficios, siendo éstos, la facilidad en la instalación,
50
reducción de costos de implementación, tiempo empleado en su instalación, despliegue de una red
escalable, pero hay que considerar que la seguridad puede ser afectada en redes inalámbricas, si
no consideramos adecuadamente este parámetro.
3.1.2. Potencia.
(Jokar, Nicanfar, & Leung, 2011) Afirma que la tecnología de comunicación para aplicaciones
HAN debe usar la menor potencia posible, debido a que la eficiencia energética es el objetivo
principal de la red eléctrica inteligente.
3.1.3. Distancia.
La cobertura o distancia de un sistema HAN se establece en unos cuantos metros, por lo que
(Cano, Ranalkar, & Amoo, 2016) afirma que la red de área del cuerpo (BAN), y la red de área
personal (PAN), se establecen a una escala pequeña de cobertura que varía entre 12 y 50 metros,
la cual es muy utilizada en aplicaciones del hogar, donde el usuario debe estar en movimiento y
no necesita realmente mucha experiencia a tareas tales como agregar, eliminar componentes de la
red.
3.1.4. Latencia.
(Energy, 2010) Afirma que para un ambiente de red de área del hogar, como en administración
de energía doméstica (HEM) o infraestructuras de medición avanzada (AMI), la latencia no es
crítica. Según Verizon el tiempo de latencia razonable para las aplicaciones en el hogar debe ser
de 2 a 15 segundos. (Power Systems Engineering Research Center, 2012) Afirma que la tecnología
de comunicación empleada, deber ser capaz de proporcionar comunicaciones de baja latencia
desde la generación de datos o el punto de recolección hasta el destino final. Para la aplicación
AMI, una mayor latencia es tolerable para los datos recopilados de los medidores inteligentes al
51
centro de control, pero hay comandos de control en la otra dirección (desde el centro de control a
los contadores inteligentes) para controlar las cargas y la conexión / desconexión remota que
necesitan para comunicarse de inmediato.
(Murat, Manisa, & Saifur , 2014) Asegura que la lectura del medidor bajo demanda en un sistema
AMI, permite que se tomen lecturas cuando sea necesario, por ejemplo, cuando una empresa de
servicios públicos necesita responder las consultas de los clientes sobre su uso, o para rellenar la
información faltante. Una carga útil típica es de 100 bytes para una transmisión de datos desde un
medidor a una utilidad con un requisito de latencia inferior a 15 s.
Según el Departamento de Energía de EE. UU, nos detalla los requisitos necesarios de latencia
para para aplicaciones Smart Grid, la tabla 3 resume las aplicaciones con sus respectivos requisitos
de latencia recomendados.
Tabla 3
Requisitos de latencia para aplicaciones smart grid.
Aplicación Smart Grid Latencia recomendada (ms)
Medición en tiempo real 12 a 20
Monitorización en tiempo real 20 a 200
Respuesta de la demanda 500 a 2000
Aplicaciones para el hogar 2000 a 15000
Nota: Latencia para en aplicaciones en Smart grid.
Fuente: (Meiling, Schmidt, & Steinbach, 2015)
3.1.5. Frecuencia de Operación:
(Kilbourne & Bender, 2010) Afirma que las aplicaciones SG pueden necesitar rangos de
frecuencia más bajos, para proporcionar comunicación de alta calidad y rentable en toda el área de
52
servicio del hogar. Los rangos de frecuencia más bajos permiten que las señales de radio superen
los problemas de visibilidad directa, por ejemplo, arbustos, el desvanecimiento de la lluvia y la
penetración a través de las paredes. Además, que provee mayor cobertura debido a que la
atenuación en el aire es menor para rangos de frecuencia altos.
(Murat, Manisa, & Saifur , 2014) Afirma que las aplicaciones HAN, que están relacionadas con
el envío y recepción de datos de medición eléctrica desde un dispositivo a un controlador dentro
de las instalaciones del cliente. Estas aplicaciones no requieren que los datos se transmitan a alta
frecuencia, dado que las aplicaciones ocurren dentro de edificios residenciales. Por lo tanto, los
requisitos de comunicación para las aplicaciones HAN son bajo de consumo de energía, bajo costo,
simplicidad y comunicación segura.
Es importante considerar que la frecuencia de operación para redes HAN, son en general
independientes de la tecnología, es decir que típicamente se pueden utilizar diferentes tecnologías
dependiendo del fabricante usando la frecuencia.
3.1.6. Confiabilidad:
Este requerimiento define cuán confiable el sistema de comunicación puede transferir datos de
acuerdo con los requisitos específicos. Los nodos de comunicación en una HAN siempre deben
ser confiables para la continuidad de las comunicaciones. Algunas de las aplicaciones SG, como
la automatización distribuida, esperan una comunicación de datos altamente confiable, y algunas
de ellas pueden tolerar pequeñas interrupciones en la transferencia de datos.
(Energy, 2010) Indica que debido a que las aplicaciones en el hogar están destinadas
principalmente a informar a los consumidores sobre su uso de energía, no es probable que dichas
aplicaciones se consideren como "de misión crítica", y el nivel requerido de confiabilidad puede
caer dentro del rango del 99.9 al 99.99 por ciento.
53
3.1.7. Velocidad de datos:
Los requisitos de velocidad de datos pueden ser diferentes para cada aplicación específica, por
lo que la tasa de datos de comunicación para la automatización de distribución y AMI pueden ser
bajas. Por lo tanto, la elección de la tecnología de comunicación debe determinarse de acuerdo con
los requisitos de datos específicos para cada aplicación. (Murat, Manisa, & Saifur , 2014) Asegura
que las tecnologías de comunicación que proporcionan una velocidad de datos de hasta 100 kbps
con una corta distancia de cobertura son generalmente suficientes para aplicaciones en redes del
hogar.
3.1.8. Seguridad:
Es muy importante asegurar la información transmitida en un sistema HAN, ya que se debe de
garantizar la integridad, confidencialidad y disponibilidad de los datos hacia su nodo de control,
por lo que un sistema robusto de seguridad puede combatir ataques de seguridad física y
cibernética con el fin de proteger los datos críticos recopilados de diversos componentes que
conforman una HAN. (Li, Lai, & Zhang, 2011) Afirma que proporcionar seguridad de extremo a
extremo tiene la más alta prioridad para casi todas las aplicaciones SG, es decir que es importante
establecer un mecanismo de seguridad que protejan los mensajes enviados, desde los nodos o
terminales (electrodomésticos inteligentes) hasta su controlado central o medidor inteligente.
(Kilbourne & Bender, 2010) Afirma que especialmente para aplicaciones de misión crítica, se debe
proporcionar seguridad en una red de comunicación para evitar cualquier vulnerabilidad a los
activos críticos de la red eléctrica.
Advanced Encryption Standard (AES), es el mecanismo recomendado para preservar la
confidencialidad de la información transmitida de extremo a extremo en las HAN, con el fin de
54
contribuir al diseño de aplicaciones seguras basadas en la implementación de estándares probados
de cifrado y descifrado.
La tabla 4 resume los requisitos más importantes y en resumen desde el punto de vista de las
comunicaciones, como medio de transmisión, ancho de banda, velocidad de datos, latencia,
frecuencia, etc., de acuerdo a los comentarios estimados por los expertos.
Tabla 4
Resumen de Requerimientos de una HAN.
CARACTERÍSTICA PARÁMETRO
Potencia Baja
Cobertura 50 metros
Velocidad de Datos 100 kbps / nodo
Latencia ~ 15 segundos
Frecuencia de Operación (2.4 GHz o 5 GHz)
Confiabilidad 99.9 al 99.99 %
Seguridad AES
Nota: Resumen de características generales de aplicaciones HAN.
Fuente: El autor
3.2. Protocolos de Comunicación para HAN
Como se explicó en capitulo anterior, la comunicación entre dispositivos inteligentes en una
red de área del hogar se establece mediante protocolos de comunicación, dichos protocolos
permiten que los dispositivos del hogar puedan hablar el mismo idioma e intercambiar información
o datos. La capacidad de una casa inteligente que funcione de forma interactiva e independiente,
55
es una capacidad muy valiosa para la gestión de energía del hogar. Por lo tanto, la necesidad del
uso de protocolos de comunicación probados y certificados, es importante para un adecuado
sistema de administración de energía del hogar, y demás aplicaciones HAN.
Actualmente son más las empresas de producción de electrodomésticos inteligentes, las cuales
incorporan en sus equipos, módulos de comunicación para que puedan conectarse a la red y
transmitan información. Además, que los usuarios finales por medio de servicios públicos y
proveedores de servicios externos a través de tecnologías de comunicación inalámbrica y por cable
logren monitorear, controlar y operar dichos electrodomésticos. Dentro del contexto de la red
inteligente, ambas tecnologías pueden utilizarse para formar una red de comunicación que luego
forma una red de área doméstica (HAN). Dependiendo de los electrodomésticos, los fabricantes
utilizan las siguientes tecnologías inalámbricas, como ZigBee, WiFi, Z-Wave y Bluetooth, y
tecnologías cableadas como RS485, PLC, I2C y SPI para desarrollar HAN. La figura 16 muestra
las tecnologías de red de área doméstica más comunes.
Figura 16. Protocolos de comunicación en ambiente HAN
Fuente: (Hafeez, Kandil, & Al-Omar, 2014)
56
3.3. Revisión de Protocolos
(Hafeez, Kandil, & Al-Omar, 2014) Menciona que los protocolos inalámbricos se utilizan en HAN
con el fin de proporcionar acceso remoto a los propietarios de viviendas, servicios públicos y
proveedores de servicios de terceros, en este apartado se estudiaran los protocolos: ZigBee, Wi-
Fi, Bluetooth y Z-Wave, ya que son los protocolos de comunicación inalámbrica que mejor
satisfacen los requisitos de los electrodomésticos inteligentes y los más utilizados en la categoría
HAN.
3.3.1. ZigBee.
ZigBee es un protocolo de red inalámbrica bidireccional de radiofrecuencia (RF) que cumple
con IEEE 802.15.4. Se caracteriza por tener velocidad de datos bajo, muy poco consumo de energía
lo cual ayuda a alargar la duración de batería en los dispositivos conectados a la red, en términos
más específicos ZigBee consume 30 ma transmitiendo 3 ma en reposo. Otra característica es que
opera a frecuencia de 2.4 GHz para corto alcance, capacidades de implementación de bajo costo y
ofrece un uso flexible. Parámetros que hacen que ZigBee sea el protocolo aplicable y más
implementado actualmente en las redes de área del hogar (HAN). Muchos de los electrodomésticos
inteligentes utilizan dicho protocolo, como los sistemas de iluminación, aire acondicionado y
seguridad.
(Moreno & Fernández, 2017) Afirma que el mecanismo de seguridad que tiene es la
encriptación AES de 128bits, que permite la autentificación y encriptación en las comunicaciones.
Además, existe un elemento en la red denominado Trust Center (Centro de validación) que
proporciona un mecanismo de seguridad en el que se utilizan dos tipos de claves de seguridad, la
clave de enlace y la clave de red. (Berrío & Zuluaga ) Afirma que ZigBee cuenta con 16 canales
en la banda de 2.4GHz, cada uno con un ancho de banda de 5MHz, que es un espectro libre. Con
57
modulación OQPSK y una potencia máxima de 100mW logra distancias de 66 metros, a una tasa
de 250Kbps.
Modo de Trabajo
ZigBee se construye basándose en un modelo maestro-esclavo donde los dispositivos actúan
como esclavos y el coordinador actúa como el maestro. ZigBee operar en topología de red de
malla, lo que ofrece algunas ventajas, ya que, algunos dispositivos en una malla de ZigBee pueden
permanecer en modo de suspensión cuando no están activos en la red, lo que da como resultado
un ahorro de energía. La figura 17 muestra la arquitectura típica de ZigBee en un ambiente de área
del hogar, donde el master es el encargado de la coordinación y administración de la comunicación
bidireccional entre el esclavo, además de comunicación directa con cada nodo esclavo es el
responsable del manejo de la red.
Figura 17. Arquitectura tipica de Zigbee master-esclavo
Fuente: (Hafeez, Kandil, & Al-Omar, 2014)
58
Arquitectura
ZigBee presenta una pila de arquitectura que consta de las capas de control de acceso al medio,
capa física, capa de red y aplicación. El modelo en capas de la arquitectura ZigBee se muestra en
la figura 18.
Figura 18. Arquitectura de protocolo ZiggBee
Fuente: (Tarun , 2016)
- Capa de Aplicación: Esta capa habilita los servicios necesarios para que el objeto de
dispositivo ZigBee y los objetos de aplicación se conecten con las capas de red para los
servicios de administración de datos. Esta capa es responsable de emparejar dos
dispositivos según sus servicios y necesidades.
- Capa de Red: Esta capa se encarga de todas las operaciones relacionadas con la red, como
la configuración de la red, la conexión del dispositivo final y la desconexión a la red, el
enrutamiento, las configuraciones del dispositivo, etc.
59
- Capa de MAC: Esta capa es responsable de la transmisión confiable de datos al acceder a
diferentes redes con la evitación de colisión de acceso múltiple (CSMA) con detección de
operador. Esto también transmite las tramas de baliza para sincronizar la comunicación.
- Capa de Física: Esta capa realiza operaciones de modulación y demodulación sobre las
señales de transmisión y recepción respectivamente. La frecuencia, la tasa de fechas y el
número de canales de esta capa se indican en la figura 19.
Figura 19. Capa Física Protocolo ZigBee
Fuente: (Tarun , 2016)
Ventajas y Desventajas
En este apartado se analizan las principales ventajas y desventajas que presenta el uso del
protocolo ZigBee en aplicaciones HAN.
Ventajas:
- Protocolo seguro, se establece una conexión altamente segura que utiliza cifrado AES de
128 bits.
- Bajo consumo de energía, permitiendo que las baterías duren más (100-1000 días) y
reduzca el consumo de energía.
- Confiable ya que evita la colisión, el conflicto y la competencia entre nodos de la red.
- Latencia de retardo de 15 ms a 30 ms.
- La capacidad permite controlar una red grande desde un ‘coordinador’ específico.
60
- Tiene capacidades de red auto-organizadas. Esto implica que el proceso de formación de
la topología de red es autónomo por lo que no es necesario realizar ningún tipo de
configuración. Dependiendo del tipo de topología elegida se establece una estrategia de
creación de enlaces entre los nodos.
- Opera en las bandas libres de 2.4Ghz, 858Mhz para Europa y 915Mhz para Estados
Unidos.
Desventajas:
- La configuración de una red requiere de dispositivos adicionales, lo cual aumenta el costo
de implementación de la red.
- En cuanto a compatibilidad, los dispositivos no pueden establecer comunicación con otros
protocolos de red, como Wi-Fi.
- Carece de soporte para el Protocolo de Internet.
- No escalable a redes más grandes.
- Poca capacidad de procesamiento y tamaño de memoria.
- Presenta interferencia con dispositivos inalámbricos que están en la misma banda de
frecuencias, como las WLAN dadas por la IEEE 802.11 (WiFi), IEEE 802.15 (Bluetooth)
y las Microondas.
3.3.2. WIFI
Wi-Fi es un protocolo de red inalámbrica de radiofrecuencia bidireccional (RF) que cumple con
el estándar IEEE 802.11. WIFI se utiliza en ambientes HAN para interconexión de dispositivos
inteligentes que requieran de alta velocidad transmisión de datos, como computadoras, impresoras,
61
máquinas de fax, TV, cámaras digitales, cámaras de vigilancia fuera de los hogares, reproducción
de video y terminales inteligentes, así como descarga de datos.
Arquitectura
Para el protocolo WIFI la arquitectura de capas viene definida por la IEEE (Istitute for Electrical
and Electronics Engineers), bajo el nombre de IEEE 802. El modelo de referencia a capas de este
proyecto IEEE 802, la figura 20 muestras el modelo en capas para wifi.
Figura 20. Arquitectura Wi-Fi - pila de protocolo
Fuente: (Hung-Yu )
Capa física: Esta capa es la encargada de determinar el estado del canal (Carrier Sense), la
transmisión de los datos sobre el canal y la recepción de los datos del canal.
Capa de enlace: La capa de enlace de datos, se divide en dos o más subcapas, para 802.11 la
subcapa de control de acceso al medio (MAC), determina como se encuentran asignados los
canales, y quien continúa con la transmisión. Y la subcapa de Control de Enlace lógico (LLC) es
la que define y gestiona los enlaces lógicos de capa 2 y proporciona una interfaz común para el
nivel de red, ocultando las diferencias relativas a la topología y a las técnicas de acceso al canal;
62
Ventajas y Desventajas
Los beneficios y desventajas de usar WiFi en HANs se detallan a continuación:
Ventajas:
- En cuanto a seguridad se tiene una conexión altamente segura que utiliza cifrado AES de
128 bits.
- Es compatible con redes a través de líneas eléctricas, cables coaxiales y líneas telefónicas,
sin que existan interferencias y pérdidas de información.
- No se requiere una puerta de enlace especial porque hereda la capacidad y características
de soporte del protocolo de Internet.
- Latencia de retardo corta que es inferior a 3 ms.
- Despliegues de red de bajo costo (espectro sin licencia).
- Equipamiento barato.
- Alta flexibilidad, adecuado para diferentes casos de uso.
- Trabaja a una frecuencia de operación de 2.4 y 5 GHz.
Desventajas:
- Consumo de energía relativamente alto en comparación con ZigBee. Según Wi-Fi alcanzó
352.8 mW de consumo de energía cuando se aplican las funciones de navegación.
- La vida útil de la batería es de 0.5-5 días sin cargar.
- Es afectado por la radiación electromagnética emitida por los electrodomésticos, que a su
vez afecta la velocidad de transmisión.
- Propenso a la interferencia con ciertos protocolos de red HAN como ZigBee y Bluetooth,
ya que estos protocolos operan en el mismo rango de frecuencia.
- Alta interferencia debido al uso de la banda libre de licencia.
63
3.3.3. Z-wave.
Z-Wave es un protocolo de comunicación inalámbrico desarrollado por Zensys y confirmado
por Z-Wave Alliance, especialmente el protocolo se diseñó para la conexión de dispositivos de
automatización para el hogar y entornos comerciales, con el objetivo de proporcionar una forma
fácil de controlar inalámbricamente los dispositivos del hogar. Con el protocolo Z-wave es posible
la ejecución de dispositivos eléctricos principales de la casa, como luces de encendido / apagado,
aire acondicionado (HVAC), cocina, televisiones y seguridad para el hogar. Actualmente son
muchos los aparatos domésticos que están en el mercado bajo varias marcas que utilizan Z-wave,
por lo que se ha convertido en un protocolo aplicable para las HAN.
Características:
Z-Wave como protocolo de comunicación se distingue por permitir una transmisión confiable
de mensajes cortos, desde la unidad de control a uno o más dispositivos en la red con mínimo
ruido. Es un protocolo libre de interferencias que fue diseñado específicamente para el control
remoto de los dispositivos del hogar. Z-wave, debido a que es escalable, interoperable, presenta
bajo porcentaje de caducidad tecnológica, permitiendo que los costes sean bajos, la disponibilidad
en el mercado local está garantizada, el soporte frente a eventuales problemas está disponible y es
fácil de implementar. En términos de funcionabilidad, ayuda en: ahorro y eficiencia energética, ya
que en aplicaciones como termostatos, control de persianas que permiten mejor iluminación del
hogar, se puede lograr un ahorro muy significativo.
El sistema es escalable, interoperable y presenta baja obsolescencia tecnológica. Z-wave ha
seguido expandiéndose a nuevos mercados, es compatible en más de 30 países y en 2012 alcanzó
los 600 productos homologados tan sólo seis meses después de alcanzar los 500.
64
Modo de Trabajo
Con Z-wave cada dispositivo se identifica como un nodo y debe distinguirse mediante la ID de
red (ID de inicio) para distinguir estos nodos de los nodos de redes vecinas de Z-Wave y la ID de
nodo para distinguir cada nodo de la misma red. Dado que Z-Wave utiliza una configuración de
red Mesh, cada dispositivo en la red envía y recibe comandos de control a través de paredes o
pisos, por lo que hace que la onda z cubra todas las áreas de la casa, la red Mesh utiliza nodos
intermedios para encontrar un camino en los obstáculos de la casa y haga que los nodos se conecten
entre sí para establecer una ruta para llegar a su destino; además, permite que este protocolo cruce
más que el alcance de la radio de una sola unidad, enchufes, interruptores y controles remotos.
Arquitectura
La tecnología de domótica Z-Wave se compone de tres capas. La capa de radio, la capa de red
y la capa de aplicación trabajan juntas para crear una red robusta y confiable que permita que
numerosos nodos y dispositivos se comuniquen entre sí simultáneamente. La figura 21 muestra el
modelo en capas del protocolo Z-Wave.
Figura 21. Arquitectura de Z-Wave
Fuente: (Maestre, 2015)
65
Capa de radio:
La capa de radio Z-Wave se encarga de definir la forma en que se intercambia una señal entre
la red y el hardware de radio físico. Esto incluye frecuencia, codificación, acceso al hardware, etc.
La figura 22 muestra el flujo de datos de la capa de radio, que es una secuencia de dígitos
codificados (codificados en Manchester o PE), señales coherentes (paquetes de datos) y consiste
en un preámbulo.
Capa de red:
La capa de red Z-Wave define cómo se intercambian los datos de control entre dos dispositivos
o nodos. Esto incluye direccionamiento, organización de la red, enrutamiento, etc. Además, es
responsable de analizar la estructura de la red doméstica inteligente para recopilar la información
de todos los nodos y mantener una tabla de enrutamiento en el controlador primario.
Capa de aplicación:
La capa de aplicación Z-Wave define qué mensajes deben ser manejados por aplicaciones
específicas para realizar tareas particulares, como cambiar una luz o cambiar la temperatura de un
dispositivo de calefacción, etc. La capa de aplicación es responsable de distribuir la carga útil de
trama, decodificar y ejecutar comandos y parámetros suministrados en la red Z-Wave. La figura
22 muestra el formato de la trama de la aplicación Z-Wave.
66
Figura 22. Tramas de datos Z-Wave en las 3 Capas
Fuente: (Muneer, Wail , & Ashwaq , 2016)
Ventajas y Desventajas
Ventajas:
- La seguridad del protocolo es a través de encriptación AES 128.
- Presenta un bajo costo de implementación.
- Trabaja a baja frecuencia, usa la banda de 800-900 MHz, por lo que reduce problemas
de interferencias con otras tecnologías inalámbricas usadas en el hogar.
- Es un sistema fiable, permite una topología en malla o mesh que admite hasta de 232
dispositivos y 30 metros entre dispositivos al aire libre o 20 m en espacios cerrados.
- Mejor alcance de la señal y mayor duración de las baterías de los dispositivos.
Desventajas:
- Trabaja a una frecuencia que no es libre.
- Tiene una velocidad de datos baja de tan solo 9.6 kbps en relación a otros protocolos
que trabajan en HAN.
- Presenta una latencia mayores 10 segundos.
67
3.3.4. Bluetooth.
Bluetooth es un protocolo de comunicación inalámbrico usado para intercambiar datos en
distancias cortas. Sus características principales son el bajo consumo de energía y el intercambio
rápido de datos, así como la amplia disponibilidad de datos. El estándar IEEE para Bluetooth es
IEEE 802.15.1. Bluetooth se puede utilizar para comunicaciones entre electrodomésticos
inteligentes, EMS y el medidor inteligente. Su frecuencia de operación es de 2.4–2.48 GHz y tiene
una velocidad de datos máxima de 1 Mbps, rango nominal de 10 metros, 79 canales de RF, ancho
de banda de canal de 1 MHz y máximo de 8 nodos. Además, bluetooth tiene un alcance muy corto,
lo que puede ser un problema cuando se utiliza esta tecnología en HAN inteligentes, ya que pueden
implicar distancias más largas. Además, admite un número limitado de nodos que pueden ser una
restricción seria en HAN. Bluetooth, al igual que muchas otras tecnologías, funciona a baja
potencia, lo que significa que un ruido fuerte puede causar la pérdida o daño de las señales.
(Mahmood, Javaid, & Razzaq, 2014) Menciona que el protocolo Bluetooth opera a una frecuencia
de 2.4 GHz, lo que causa problemas relacionados con la interferencia, puesto que otras tecnologías
inalámbricas como WiFi, ZigBee, hacen uso del mismo espectro de frecuencias. Por otro lado, la
versión más reciente de Bluetooth v4.0 ha introducido la tecnología de bajo consumo, en términos
más específicos bluetooth consume 400 ma transmitiendo 20 ma en reposo.
Arquitectura
Bluetooth presenta una pila constituida pos dos clases de protocolos, la primera consta de
protocolos específicos propios de bluetooth y la segunda de protocolos adoptados por otras
especificaciones, dichas clases ofrecen ventajas de interacción con tecnologías que utilizan otros
protocolos comerciales existentes. La pila se divide en 4 capas lógicas:
- Núcleo de Bluetooth: Radio, Banda Base, LMP, L2CAP, SDP
68
- Sustitución de cable: RFCOMM
- Protocolos adoptados: PPP, UDP, TCP, IP, OBEX, WAP, IRMC, WAE
- Control de telefonía: TCS-binary, AT-Commands
La figura 23 muestra la arquitectura de bluetooth con sus 4 capas lógicas.
Figura 23. Arquitectura de capas de Bluetooth
Fuente: El Autor
Capa de radio: Esta capa se encarga de definir la forma en que se intercambia una señal entre
la red y el hardware de radio físico. Además, la capa define la banda de frecuencia (2.4 GHz), el
tipo de modulación (Gaussian Frequency Shift Keying - GFSK) y el nivel de sensibilidad
dispositivo receptor.
Capa de Banda Base: Define el tipo de topología bluetooth, técnica de multiplicación,
establecimiento de conexión, determinación de direcciones de dispositivos para su conocer su zona
de cobertura.
69
LMP (Link Manager Protocol): El siguiente protocolo específico se encarga de la gestión del
enlace entre dispositivos Bluetooth, de la seguridad, del control de paquetes, potencia, calidad del
servicio y control de la piconet (conmutación maestro esclavo).
HCI (Host Controller Interface): Proporciona una interface de comandos al controlador de
banda base y al manejador de enlace para acceder a los parámetros de configuración. Esta interface
proporciona un uniforme método de acceso a las capacidades de banda base Bluetooth.
L2CAP (Logical Link Control and Adaption Protocolo): Protocolo que se encuentra por encima
del anterior protocolo (LMP), se encarga de adaptar los protocolos superiores al protocolo de banda
base. Sus tres principales funciones son: la multiplexación de protocolos de alto nivel, la
segmentación y reensamblado de paquetes largos (hasta 64 kbytes) y descubrimiento de
dispositivos y calidad de servicio.
SDP (Service Discovery Protocol): Proporciona un mecanismo que permite a las aplicaciones
descubrir cuáles son los servicios disponibles en su entorno y determinar las propiedades
específicas de éstos. Los servicios disponibles cambian continuamente debido al dinamismo
existente en el entorno, por lo que la búsqueda de servicios en Bluetooth difiere de la búsqueda de
servicios en una red fija tradicional.
RFCOMM: Permite emular el funcionamiento de los puertos serie sobre el protocolo L2CAP.
Se basa en el estándar ETSI TS 07.10, tomando de éste un subconjunto con las partes más
relevantes y realizando algunas adaptaciones. RFCOMM permite emular los nueve circuitos de la
norma RS-232(ETIATIA232.E). Soporta hasta 60 conexiones simultáneas entre dos dispositivos
Bluetooth.
70
Ventajas y Desventajas
Ventajas
- Trabaja a una frecuencia 2.4 GHz.
- Bajo consumo de energía.
- Velocidad de datos máxima de 1 Mbps.
- Latencia de 18 a 21us.
Desventajas
- Presenta problemas relacionados a interferencia con otro tipo de tecnologías
inalámbricas del hogar.
- Se puede implementar pocos nodos en la red.
- Al utilizar poca potencia, la señal puede ser afectada a presencia de ruido eléctrico.
- El alcance de este protocolo es tan solo de 10 metros lo cual es una gran deficiencia
comparado otros como Wi-Fi.
3.4. Comparación de Protocolos
En este apartado se realiza una comparativa de los protocolos de comunicación, tomando en
cuenta los parámetros analizados en la sección 3.3 de éste capítulo, con el fin de tener un
despliegue de información más detallada de las características que proveen los protocolos en un
ambiente del hogar. Según el estudio comparativo de protocolos inalámbricos: ZigBee, Wi-Fi, Z-
Wave y Bluetooth, se puede identificar que los sistemas del hogar aplicados con el protocolo WiFi
tiene grandes ventajas sobre ZigBee, ya que presenta un gran ancho de banda, mayor cobertura y
provee alta disponibilidad, pero solo es posible tener un máximo de 32 nodos en la red, siendo una
71
falencia considerable ya que el número de nodos interconectados en la red es importante, por
cuanto en aplicaciones del hogar, son muchos los sensores que pueden ser interconectados a la red.
Otra desventaja muy considerable del protocolo WIFI es el alto consumo de energía, lo cual
conlleva a un mayor costo y aumento de la demanda de energía eléctrica del hogar, cosa que no
pasa en ZigBee, ya que sus nodos desplegados en toda la red tienen la habilidad de entrar en modo
descanso, con el fin de lograr un menor uso de energía y lograr así, un ahorro considerable en
baterías. Según (Berrío & Zuluaga ) un nodo sensor con una batería AA puede durar hasta 10 años.
Por otro lado, el protocolo Bluetooth es de fácil acceso y proporciona comunicaciones seguras
en ambientes donde se requiere corto alcance, la frecuencia de operación 2.4 GHz en cierto modo
trae beneficios sobre el ahorro de los costos de implementación por hacer uso de una frecuencia
no licenciada, pero trae consigo problemas relacionados a la interferencia con los protocolos que
se manejan en la misma banda como Wifi y ZigBee, además que su alcance es menor que sus
competidores con solo 10 metros de cobertura pero se lograría alcanzar mayor distancia pero si se
tiene alta potencia, y tan solo es posible tener pocos nodos simultáneos interconectados a la red.
Mientras ZigBee en comparación de los otros protocolos tiene la gran ventaja de operar una red
con muchos nodos, como se mencionó anteriormente dicho parámetro es adecuado para la gestión
de energía del hogar cuando se tienen gran cantidad de dispositivos terminales, trabaja a baja
potencia y requiere bajo costo de implementación. En el mundo real el protocolo ZigBee es
considerado en las HAN, en aplicaciones como para la medición inteligente si se usa en una
estructura de malla. También puede proporcionar monitoreo remoto del medidor inteligente y otros
dispositivos. ZigBee tiene seguridad confiable y emplea poderosas técnicas de encriptación como
AES para asegurar la información de extremo a extremo. Por otro lado Z-Wave se caracteriza por
72
la transmisión confiable de mensajes cortos desde el controlador a uno o más nodos, en
comparación con ZigBee, éste protocolo es mucho más simple, al utilizar una frecuencia baja se
logra disminuir la interferencia con otras señales inalámbricas, además que brinda
interoperabilidad ya que son muchos los fabricantes que optan por dicho protocolo, pero presenta
falencias en la frecuencia de operación ya que hace uso de una frecuencia no es libre, en
comparación con ZigBee, su velocidad de datos es baja con solo 9.6 kbps y presenta una latencia
mayor 10 segundos.
Los principales atributos de los protocolos de comunicación para las redes de área del hogar se
resumen en la Tabla 5.
73
Tabla 5
Cuadro comparativo de protocolos de comunicación inalámbrica
Características
Protocolo
ZigBee Wifi Z-Wave Bluetooth
Velocidad de datos 250 kbps 1–150 Mbps 9.6 kbps 1Mbps
Frecuencia 2.4 GHz
2.4 GHz
5 GHz
908 MHz (USA) 2.4 GHz
Alcance 10-100m 1-100 m 30 a 50 m 10m
Latencia 30 ms 0.3us < 10 s 18 a 21us
Nodos 65540 32 232 7
Uso de energía Hasta 10 años horas dias días
Seguridad
Cifrado AES 128
bits
AES WEP, WPS AES 128
Estándar IEEE 802.15.4 IEEE 802.11 Propietario IEEE 802.15.1
Nota: Datos recolectados de exploración bibliográfica.
Fuente: EL Autor
74
3.5. Elección de protocolo para HAN
Según los requisitos analizados en el apartado en la sección 3.1 que corresponde a los parámetros
requeridos para las HAN, se establecerá un protocolo de comunicación, el cual será el que más se
adapte a las necesidades requeridas para una HAN de una red eléctrica inteligente. En la tabla 5 se
muestra la validación o no de cada protocolo de comunicación con los requisitos para las HAN.
Tabla 6
Validación de protocolo de comunicación
CARACTERÍSTICA PARÁMETRO ZigBee Wi-Fi Z-Wave Bluetooth
Potencia Reducida soporta
no
soporta
soporta soporta
Cobertura 50 metros soporta soporta soporta no soporta
Velocidad de Datos 100 kbps / nodo soporta soporta no soporta soporta
Latencia ~ 15 segundos soporta soporta soporta soporta
Frecuencia de Operación
(2.4 GHz o 5
GHz)
soporta soporta no soporta soporta
Confiabilidad 99 al 99.99 % soporta soporta soporta soporta
Seguridad
AES 128 bits
(Encriptación)
soporta soporta soporta soporta
Nota: Cuadro comparativo para elección de protocolo de comunicación para HAN.
Fuente: El Autor
75
Según los resultados de la tabla 5, se determina que el protocolo de comunicación que más se
adaptan a las redes de área del hogar es ZigBee, en base a los requerimientos de las HAN y otras
características que hace que sobresalga de los demás protocolos, como: el bajo consumo de
energía, topología de red en malla y la fácil integración de múltiples nodos a la red. Además, que
según el análisis del capítulo 2, ZigBee es uno de los protocolos de comunicación inalámbrico que
tiene mayor despliegue en el mundo, en aplicaciones de la infraestructura de medición avanzada y
gestión del hogar. (Liu, 2018) Afirma que en países como EEUU, China, Japón y Corea del Sur
están experimentando un tremendo crecimiento en la automatización del hogar y aplicaciones de
gestión del hogar a través del protocolo ZigBee. En países como India, Países Bajos y Reino Unido,
el mercado también está creciendo rápidamente debido a la tendencia de la digitalización. Además,
el protocolo ZigBee está siendo adoptado por varios fabricantes (Invensys, Mitsubishi, Honeywell,
Philips, Motorola, etc.) de dispositivos y electrodomésticos inteligentes, ya que un chip de
comunicación con el protocolo ZigBee tiene un costo relativamente bajo. (Liu, 2018).
76
CAPITULO IV
El presente capítulo, establece los parámetros para la creación de un protocolo de comunicación
para aplicaciones en redes de área del hogar, dichos parámetros se establecerán en base al mensaje
que manejan los electrodomésticos inteligentes y como línea base se utilizará el protocolo ZigBee,
debido a que dicho protocolo, según el análisis teórico del capítulo 3, es el que mejor se ajusta a
las necesidades y requerimientos de las HAN, además que cubre los niveles del modelo OSI, como
la capa física o de radio, enlace de datos, red y aplicación. La propuesta de un nuevo protocolo
tiene el objetivo, obtener un protocolo de comunicación que permita la interconexión de los
diferentes nodos sensores, aparatos electrónicos inteligentes y demás dispositivos del hogar, para
mantener una comunicación adecuada y permitir la ejecución de aplicaciones relacionadas a la
infraestructura de medición avanzada, gestión de energía y demanda de las redes de área del hogar,
siguiendo los lineamientos del protocolo propuesto, además el presente apartado en su sección
final, propone ciertos escenarios de simulación para que un futuro se pueda analizar a profundidad
los respectivos parámetros propuestos y desempeño del protocolo de comunicación propuesto para
una red de área del hogar en un ambiente simulado.
4.1. Formato Mensaje HAN
En éste apartado se analiza que tipos de datos son manejados en las redes de área del hogar,
especialmente los datos de medición de energía de electrodomésticos inteligentes, con el propósito
de conocer qué tipo de información se necesita trasmitir, y definir los datos que deberán ser
encapsulados en la trama del protocolo de comunicación.
77
Es importante conocer que un electrodoméstico electrónico inteligente, es aquel que
implementa ciertos artificios que le permiten establecer comunicación con otros dispositivos del
hogar y pertenecer a una red de datos. Actualmente son muchas las empresas (Invensys,
Mitsubishi, Honeywell, Philips, Motorola, etc.) que están desarrollando equipos electrónicos para
el hogar, los cuales permiten el control, la automatización y la gestión de energía en los
electrodoméstico o dispositivos convencionales y a través de la implementación de medidores de
potencia, interruptores y tomas corrientes inteligentes, etc. En general un electrodoméstico, o un
dispositivo sensor inteligente, brindan la siguiente información:
4.1.1. Dato de Identificador de dispositivo.
Dado que son muchos los electrodomésticos que se conectaran a la red del hogar, es necesario
que se definan un espacio de asignación de bytes para el mensaje HAN, con el propósito de poder
conocer qué tipo de dispositivo es el que se está gestionando en toda la red. Por lo que se estima
que para representar un dispositivo inteligente en la red sea necesario definir una nomenclatura.
Por lo tanto, la nomenclatura para cada electrodoméstico inteligente, se considera que se
estructure mediante los cuatro primeros caracteres de cada palabra en minúscula, seguido del
número definido en dos cifras para tener un máximo de 99 dispositivos del mismo tipo, lo cual es
suficiente para representar todos los electrodomésticos interconectados en la red. La tabla 7
muestra la nomenclatura de identificación para algunos dispositivos electrónicos inteligentes del
hogar.
78
Tabla 7
Nomenclatura para datos de identificador de dispositivos
Fuente: El autor
En resumen, la nomenclatura de identificación de electrodomésticos inteligentes propuesta
tiene la siguiente estructura:
4 caracteres (nombre) + 2 dígitos (cantidad)
Para transmitir dicha información es necesario que se defina un tamaño en bytes, por lo que se
tomara como ejemplo la identificación de un televisor, cuya nomenclatura es tele01 y se procede
a la conversión al sistema binario, tal como indica la figura 24.
t e l e 0 1 Cadena de
Texto
116 101 108 101 48 49 ASCII
01110100 01100101 01101100 01100101 00110000 00110001 BINARIO
Figura 24. Representación de nomenclatura de ID dispositivo a binario
Fuente: El autor
Cantidad
Electrodoméstico
Inteligente
Nomenclatura
1 Televisor tele01
1 Plancha plan01
1 Secador de Pelo seca01
1 Refrigerador refr01
1 Lavadora lava01
1 Licuadora licu01
1 Microondas micr01
79
La transformación al sistema binario de la id de identificación del televisor uno es:
tele01= 01110100 01100101 01101100 01100101 00110000 00110001
Donde los primeros 32 bits representan al electrodoméstico y los 16 bits restantes representan a la
numeración del dispositivo en la red, por lo tanto, para éste campo de identificación, según la
nomenclatura propuesta, se tiene para el campo de identificación un tamaño total de 48 bits, es
decir 6 bytes.
4.1.2. Datos de control de encendido y apagado.
Para dicho campo de mensaje, comprende un comando para poder controlar remotamente los
electrodomésticos inteligentes, a través de una señal de encendido y apagado, dicho campo se
considera que tendrá un tamaño de 1 byte, dado que para dicha señal se representaría con un 1
para encendido y un 0 para apagado, tal como se muestra en la figura 25.
0 Cadena de Texto
48 ASCII
00110000 Binario
1 Cadena de Texto
49 ASCII
00110001 Binario
Figura 25. Datos de control
Fuente: El autor
80
4.1.3. Lectura de la potencia y corriente.
El sensor calcula la potencia y corriente consumida del electrodoméstico y estos datos son
transmitidos al nodo central. Según (Irmak, Kose, & Gocmen, 2016) en promedio una televisión
consume 496.5 w de potencia y consume 2.15 amperios de corriente. Un refrigerador consume
1094 w de potencia y 4.75 amperios de corriente. Se toma como referencia dichos
electrodomésticos dado que son los que más consumen potencia dentro del hogar. Por lo que la
cantidad de bits de datos de la potencia para representar dichas cifras seria:
Potencia calculada en 8 cifras = 8 bytes (64 bits)
Corriente calculada en 5 cifra = 5 byte (40 bits)
Para ejemplificar la conversión a sistema binario con el que trabajaban las tramas, se tomará
como referencia los datos de lectura del refrigerador que se mencionó anteriormente dado que es
el electrodoméstico más común y el que más potencia consumen en el hogar, dichos datos serán
representados en formato binario.
Potencia = 1094.00w
El valor de potencia contiene en total 8 caracteres ASCII que transformado a decimal y luego
procede a transformar a binario, para calcular el número de bits que tendrá el mensaje de lectura
de potencia. La figura 26 muestra la conversión de la lectura correspondiente a la potencia y su
transformación a sistema binario.
81
1 0 9 4 .(punto) 0 0 W Cadena de
Texto
49 48 57 52 46 48 48 119 ASCII
00110001 00110000 00111001 00110101 00101110 00110000 00110000 01110111 Binario
Figura 26. Datos de potencia en binario
Fuente: El autor
En total del mensaje de caracteres transformado a binario se tiene la cantidad de 8 octetos (8
bytes), es decir 64 bits para representar los datos de potencia.
Ahora se realiza la conversión del mensaje de lectura de corriente, que para éste caso es de 4.75
amperios. La figura 27 muestra la conversión a sistema binario de la lectura de corriente.
4 .(punto) 7 5 a Cadena de
texto
52 46 55 53 97 ASCII
00110100 00101110 00110111 00110101 01100001 Binario
Figura 27. Datos de corriente en binario
Fuente: El autor
En total del mensaje de caracteres transformado a binario se tiene la cantidad de 5 octetos (5
bytes), es decir 40 bits para representar los datos de corriente.
En resumen, se tiene que el formato del mensaje estará conformado con los datos de
identificador, datos de control, datos de potencia y corriente. Por lo tanto, se necesita que la trama
sea de un tamaño de 20 bytes (160 bits), la figura 28 muestra la distribución de datos en la trama.
82
MENSAJE HAN
ID DISPOSITIVO DATOS DE CONTROL POTENCIA CORRIENTE
6 bytes 1 bytes 8 bytes 5 bytes
20 bytes
Figura 28. Mensaje de aplicaciones en HAN
Fuente: El autor
4.2. El protocolo ZigBee
En ésta sección se analiza aspectos técnicos más profundos como las tramas del protocolo
ZigBee, con el fin de comprender cómo se encapsulan y se manejan los datos, ya que es parte de
la línea base para la propuesta del protocolo de comunicación para una HAN. Las especificaciones
de ZigBee vienen dadas por el estándar IEEE 802.15.4, que define la estructura del modelo de
capas del protocolo de comunicación.
4.2.1. Trama de la Capa Física:
La trama de la capa física se conforma del preámbulo, delimitador de paquetes, encabezado de
trama física y PSDU, consiste de 133 bytes incluido sincronización y longitud de trama, con una
carga útil de 127 bytes como máximo, a continuación, se describe en profundidad cada uno de
ellos. La figura 30 muestra la distribución de la trama física.
El encabezamiento de sincronización (SHR): contiene al Preámbulo (4 bytes) y Delimitador de
inicio de trama (SFD) (1 byte), los cuales son utilizados para la sincronización entre los
dispositivos emisores y receptores. Es decir que los primeros 5 bytes de la unidad de datos del
protocolo físico (PPDU), se utilizan para captar la atención de los nodos receptores, indicando al
receptor que una trama nueva viene en camino y por lo que debe prepararse.
83
- El preámbulo: Permite la sincronización de símbolo y chip con el mensaje entrante, consta
de 32 bits (4 bytes), para tener una sincronización se debe obtener una cadena de 32 ceros,
para el caso de una frecuencia de 2.4 GHz, en modulación O-QPSK se tiene 8 símbolos (4
bytes) en cero, con una duración de 120 nanosegundos.
- Inicio de delimitador de paquetes (SFD): Permite la sincronización de la trama, indica el
final del SHR y el inicio del paquete de datos, su longitud está definida por 1 byte con la
secuencia 1110 0101. Si la espera de SFD superase la duración del preámbulo, se reinicia
el proceso de sincronización.
El encabezado de la trama física (PHR): Contiene la información de la longitud de la trama,
donde se especifica el número total de octetos contenidos en el PSDU, su longitud es de 1 bytes,
distribuidos entre el tamaño de la trama (7 bits) y una reservación (1 bit). La figura 29 muestra
la estructura del encabezado de la trama física ZigBee. Y la Tabla 8 se despliega la distribución
de valores del campo tamaño de trama.
Encabezado de la Trama Física PHR (1 byte)
Tamaño de trama Reservado
7 bits 1 bit
Figura 29. Encabezado de la trama física
Fuente: Adaptado por el Autor
84
Tabla 8
Valores de tamaño de trama
Valor de tamaño de trama Payload
0 – 4 Reservado
5
MPDU
(Acknowledgment)
6 – 7 Reservado
8 to aMaxPHYPacketSize MPDU
Fuente: El autor
Unidad de datos del servicio de la capa física (PSDU): es la longitud de payload variable que
acarrea la trama de la subcapa MAC.
PPDU – UNIDAD DE DATOS DEL PROTOCOLO FISICO
Preámbulo Inicio de delimitador de
paquetes (SDF)
Encabezado de Trama
(PHR)
Unidad de Datos del
Servicio Físico (PSDU)
4 bytes 1 bytes 1 bytes 0-127 bytes
SDR (Synchronization Header)
Figura 30. Trama de la Capa Física
Fuente: El autor
Como se puede observar, la trama más larga en éste protocolo es de aproximadamente 133 bytes
divididos en Preámbulo (4 bytes), delimitador (1 bytes), longitud (1 bytes) y carga útil (0-127
bytes). Dando un total de 133 bytes, los cuales son 1064 bits, por lo tanto, si la velocidad de
transmisión de datos es de 250 kbps, la trama de 133 bytes en el canal se puede en transmitir a
4.256 ms, lo cual es relativamente rápido y está comprendida entre el rango de latencia que se tiene
85
como requisito para sistemas inteligentes del hogar. Además, el canal se ocuparía en un 0.4% del
total de su capacidad.
4.2.2. Trama de la Capa MAC:
Subcapas
Para la capa MAC, el empaquetamiento se realiza en cuatro tipos diferentes de paquetes básicos,
los cuales son: Datos, ACK (acuse de recibo), subcapa MAC (Control de Acceso al Medio) y
baliza. En la figura 26 muestra los campos de los cuatro tipos de paquetes básicos, pero para mayor
compresión se describe cada uno.
- El paquete de datos: tiene una carga de datos de hasta 102 bytes. La trama esta numerada
para asegurar que todos los paquetes lleguen a su destino. Un campo nos asegura que el
paquete se ha recibido sin errores. Esta estructura aumenta la fiabilidad en condiciones
complicadas de transmisión.
- Los paquetes ACK, es dónde se realiza una realimentación desde el receptor al emisor, de
esta manera se confirma que el paquete se ha recibido sin errores. Se puede incluir un tiempo
de silencio entre tramas, para enviar un pequeño paquete después de la transmisión de cada
paquete.
- El paquete MAC, se utiliza para el control remoto y la configuración de dispositivos/nodos.
Una red centralizada utiliza este tipo de paquetes para configurar la red a distancia.
- El paquete baliza: se encarga de “despertar” los dispositivos que “escuchan” y luego
vuelven a “dormirse” si no se reciben nada más. Estos paquetes son importantes para
86
mantener todos los dispositivos y los nodos sincronizados, sin tener que gastar una gran
cantidad de batería estando todo el tiempo encendidos.
Estructura
La trama de la capa MAC se estructura como se muestra en la figura 31, y contiene los campos
control de trama, numero de secuencia, dirección, payload e identificador de errores, a
continuación, se detalla cada parámetro.
Control de Trama Numero de
Secuencia Dirección Payload FCS
2 bytes 1 bytes 4 - 20 bytes 0 - 104 bytes 2 bytes
Figura 31. Trama de la capa MAC
Fuente: El autor
Control de trama: Cada una de los 4 tipos de trama tienen control de trama, su longitud es
de 2 bytes, distribuidos como se indica la figura 32:
Trama de Control
Bits:
0 - 2 3 4 5 6 7-9 10-11 12-13 14-15
Frame
Type
Security
Enabled
Frame
Pending AR
Pan ID
Compression Reserved
Dest.
Addressing
Mode
Frame
Version
Source
Addressing
Mode
2 bytes
Figura 32. Control de trama
Fuente: El autor
Security Enable: Campo de Seguridad.
- 1-Habilitado, la subcapa MAC, habilitara algún algoritmo de seguridad.
- 0-Lo contrario
87
Frame Pending: Define si existen más tramas a enviarse.
- 1-Existen más datos para el Destinatario.
- 0-Lo Contrario
AR: Solicitud de Reconocimiento
- 1-Solicita una trama de confirmación
- 0-El receptor no enviara al transmisor confirmación.
PAN ID Compression: Especifica si la trama MAC contiene campos de identificación de la Red
de Área Personal.
- 1-Las direcciones origen y destino están presentes.
- 0-Lo contrario
Frame Version Field: Especifica la versión y el estándar de la trama.
- 0x01-IEEE802.15.4
Source Addresing Mode Field: Especifica el tipo de trama, específicamente si es trama
de reconocimiento.
- 1 - Otra trama.
- 0 - Trama de reconocimiento.
Data Sequence Number: Secuencia numérica, para saber que numero de trama se ha
enviado.
Address Information: Brinda la Dirección del transmisor.
Data Payload: Comprende los datos que se transmiten, es decir el mensaje y cuyo tamaño
no debe superar los 102 bytes.
FCS: Frame Check Sequence, se utiliza para verificar la integridad de la información
recibida mediante una "secuencia" de verificación de trama incorrecta, también llamado
CRC, polinomio de grado 16.
88
4.3. Parámetros para protocolo de comunicación de una HAN
Éste apartado define ciertos parámetros para el establecimiento del formato de la trama HAN,
para el protocolo de comunicación propuesto, según la capa física y la capa de enlace de datos, ya
que en dichas capas se establece la comunicación de dispositivos inalámbricos, la capa física
establece la frecuencia de operación, velocidad de dato, modulación, etc y en la capa de enlace se
establecen parámetros relacionados al direccionamiento físico de dispositivos. Por lo que
básicamente se sugiere que el nuevo protocolo conste de los siguientes campos:
Preámbulo: Permite la sincronización de la red adecuada, a través de pausas que se
presentan antes de que la señal inalámbrica acceda a un dispositivo de red, un preámbulo
corto permite una mayor transferencia de datos, para las HAN es importante que cado
nodo se encuentre coordinados para una adecuada transmisión de datos. El tamaño de
éste campo será de 4 bits, en base al protocolo bluetooth, el cual maneja un preámbulo
corto de cuatro símbolos en relación a ZigBee, ofreciendo así para sistemas HAN una
transmisión ordenada de tramas, evitar la pérdida de paquetes por sobrecarga y mejoras
en latencia.
Inicio de delimitador de tramas (SFD): Permite verificar el adecuado proceso de
sincronización, básicamente, este campo indica al receptor que se prepare para recibir
una trama nueva. El tamaño de SFD es de 1 byte en base al protocolo ZigBee.
Encabezado de la trama física (PHR): Permite evitar tramas que no corresponde al
tamaño asignado, si se tiene un tamaño de trama mínimo o máximo del permitido, el
nodo receptor descarta la trama. En sistemas HAN el encabezado de la trama se establece
para evitar procesamiento innecesario en el nodo master o controlador de red, y evitar
89
las colisiones o señales no deseadas. El tamaño definido para el campo de encabezado
de trama es de 1 byte.
Campo Dirección de destino: Contiene la información del nodo destino, hacia donde la
trama debe de ser enviada. Tamaño del campo de dirección es de 8 bytes, dado que según
ZigBee es definida por el fabricante de dispositivos XBee que hacen uso del protocolo
ZigBee y tiene una dirección única de 64 bits, dicho valor se compone de parámetros
Serial Number High (SH) y Serial Number Low (SL). Para las HAN es importante
establecer la dirección de destino, ya que permite definir hacia donde se debe de enviar
el mensaje y donde el receptor pueda hacer uso de la información.
Campo Dirección de origen: Contiene la información del nodo origen, es decir que se
define el origen desde donde la trama fue enviada, su tamaño es de 8 bytes. Para las HAN
es importante establecer dicho campo, ya que permite definir al nodo transmisor y
conocer cuál es la procedencia del mensaje.
ACK: El acuse de recibo permite la confirmación de los datos, a través de un mensaje
que parte del destino hacia el origen, y así confirmar la recepción del mensaje. Para
ambientes HAN, es necesario que se tenga la confirmación del mensaje para mantener
evitar las pérdidas de las lecturas de los dispositivos electrónicos inteligentes en la red y
garantizar un envió de tramas sin perdidas ni duplicación. El tamaño de asignación de
ack es de 1 bit, puesto que, si la recepción fue exitosa se regresa un ACK = 1, de lo
contrario se regresa un NAK (ack = 0).
90
Campo de Seguridad: Permite habilitar o no habilitar un algoritmo de seguridad, para
aplicaciones HAN, es recomendable que se habilite dicho campo para mantener la
información segura y evitar posibles ataques a la integridad del mensaje, por lo que se
recomienda como mecanismo la encriptación AES, su tamaño es de 1 bit, dado que
habilita al mecanismo de seguridad AES el cual se implementara en capas superiores.
Baliza: Es un mecanismo que permite el control del consumo de potencia, con el fin de
evitar el alto consumo de batería en la red, mediante el balizamiento, el nodo controlador
dirige a los transmisores, si existe mensaje el nodo transmisor se comunica con el nodo
controlador y se procede a la transmisión de los datos pero si no existe ninguna
información cada nodo transmisor vuelve a estar en modo reposo, dicho parámetro se
toma como referencia del protocolo ZigBee, , el cual permite un ahorro considerable de
energía en sus nodos. Es campo es muy importante dentro de los sistemas de redes de
área del hogar, ya que permitirá que la red sea tan eficiente en el consumo de energía,
manteniendo la red en su mayoría de tiempo en modo de espera o descanso, permitiendo
al usuario final un ahorro sobre el consumo de energía al implementar un aplicativo en
una HAN. Para balizado se utilizan 16 bits (2 bytes).
Datos: Es la carga útil que contiene la información o formato del mensaje de los
dispositivos de las HAN. Su tamaño es variable dependiendo del tamaño del mensaje.
La carga útil toma gran importancia dado que en los sistemas HAN, el mensaje permitirá
definir procesos relacionados a las lecturas de medición y comandos de control, para
procesar y brindar al usuario final, la información adecuada respecto al consumo
eléctrico, la demanda, historial de consumo, etc, según la aplicación que se implemente.
91
Secuencia de chequeo de trama: Permite verificar la integridad de la información
recibida, mediante una "secuencia" de verificación de trama errónea e iniciando la
retransmisión de la trama, esta técnica es conocida como CRC (Código de redundancia
cíclico), su tamaño es de 16 bits (2 bytes). Para un ambiente HAN, este campo permite
la verificación de tramas dañadas, muy importante para evitar que el mensaje llegue al
su destinatario con algún error o falla, que se pueda provocar durante la transmisión de
tramas.
La figura 33 muestra la trama del nuevo protocolo de comunicación para redes de área del
hogar, dicha trama tiene un tamaño de 352 bits (44 bytes), distribuidos según los campos mostrados
en la figura.
Figura 33. Trama de datos del protocolo de comunicación propuesto
Fuente: El Autor
92
En resumen, en este apartado se pudo definir los parámetros en cuanto al formato de la trama
del nuevo protocolo para la infraestructura de medición avanzada y aplicaciones de redes de área
del hogar. Para dicho protocolo de comunicación se estableció los campos de la trama más
adecuados para la transmisión de información, permitiendo una comunicación fluida entre los
nodos transmisores y el nodo controlador o master, dichos campos establecen que la información
ser enviada y recibida con mecanismos de sincronización, campos de control de integridad de
datos, como los ACK, secuencia de chequeo de trama, además de campos de control de direcciones
de destino y origen, carga útil, campo de habilitación de algoritmo de seguridad y control de
potencia mediante el campo de baliza. Dando como resultado un total de trama del nuevo protocolo
es de 44 bytes o 352 bits para la transmisión y recepción de información a través de los dispositivos
o nodos que usen dicho protocolo.
4.3.1. Protocolo propuesto vs ZigBee:
Mediante este capítulo se pudo establecer un nuevo protocolo de comunicación, según las
necesidades de mensaje a ser transmitido y la definición de los campos de la trama de la estructura
de dicho protocolo, para adecuarlo a un ambiente de las redes de área del hogar y así tener un
mejor desempeño, y comunicación fluida de mensajes en la red, si analizamos los 352 bits que
contiene la trama, para una velocidad de transmisión de datos de 100 kbps que corresponde a un
requerimiento de las HAN, se lograría que el protocolo propuesto tenga un tiempo de trama de 3.5
milisegundos, menor a la que ofrece ZigBee, lo cual es un aporte significativo para aplicaciones
de gestión y control de energía para las HAN y ocuparía un 0.35% del total de la capacidad del
canal, pero considerando que no está desarrollado en su totalidad, presenta algunas desventajas
relacionadas a costo de implementación de dicho protocolo HAN para un ambiente real, ya que se
necesitaría de un análisis más profundo del protocolo mediante simulación de cada campo que
93
conforma la trama de datos, por lo tanto para proyectos relacionados con redes de área del hogar,
al momento como una opción alternativa se sugiere utilizar el protocolo de comunicación ZigBee,
ya que actualmente es el protocolo que presenta más beneficios en relación a otros protocolos
inalámbricos que se usan en el mercado de las HAN en el mundo, la trama de éste protocolo ya se
encuentra establecida, además que la carga útil soporta el mensaje HAN de los dispositivos
inteligentes, aporta un gran ahorro considerable en costos de implementación, en cuanto al
mercado tecnológico son más los fabricantes que desarrollan terminales que hacen uso de dicho
protocolo y el despliegue está tomando cada vez más fuerza en varios países utilizando ZigBee,
por su fácil aplicabilidad, ahorro de consumo de baterías, y demás beneficios que ofrece ZigBee,
por lo tanto actualmente se convierte en el protocolo de comunicación idóneo para establecer
comunicación en sistemas de redes del hogar.
4.4. Escenarios de Simulación.
En éste apartado se propone los escenarios de simulación para la aplicación del protocolo HAN
propuesto en el presente estudio, en un ambiente HAN simulado, con el propósito de probar los
parámetros establecidos del protocolo, mediante el establecimiento de comunicación entre nodos
o dispositivos, además que se determinará qué ocurre si a los escenarios se le implementa
seguridad. Se puede hacer uso del software de simulación; OMNeT++, OPNET, NS2, entre otros,
considerando que deben de tener la capacidad de ejecutar los parámetros propuestos en los
escenarios, según la tabla 9, se recomienda hacer utilizar OMNeT++, dado que, en comparación
con otros simuladores, OMNeT++ es un simulador de red robusto, de código abierto, muy utilizado
en la academia e investigación, proporcionando un entorno visual y con un nivel de complejidad
bajo.
94
Tabla 9
Cuadro comparativo de Simuladores de Red
Simulador OPNET OMNeT++ Ns2 - NS3
Sistema Operativo Unix,
Windows Linux y Windows
Linux, FreeBSD,
MAC OS X, Solaris y
Windows.
Lenguaje de
programación C++ C++ C++, OTcl
Licencia Comercial Open Source - GNU Open Source
GUI (entorno visual) Si Disponible
NS2 - Disponible
NS3 - No
disponible
Redes Inalámbricas Soporta Soporta Soporta
Protocolos de Red Soporta Soporta Soporta
Estándar 802.15.4 Soporta Soporta Soporta
Librería y módulos
Múltiples
(versión
pago)
Múltiples Algunas
Topologías de red Soporta mediante TCL
Modelado de
transmisión de paquetes
Disponible
( flujo de
mensajes de
datos,
paquetes
perdidos,
mensajes de
flujo de
control, etc)
Disponible (retardo en
la propagación, el índice
de error de bits y la tasa
de transferencia de
datos.)
Disponible
Complejidad Alta Baja Media
Fuente: El autor
4.4.1. Escenario 1.
Para el despliegue de este escenario se propone un enlace inalámbrico punto a punto, entre el
nodo 1 y un concentrador, tal como lo muestra la figura 34, donde se establecerá comunicación
mediante el protocolo de comunicación propuesto en éste estudio. El nodo terminal representa al
95
electrodoméstico inteligente en un ambiente HAN simulado, el cual transmitirá un flujo de datos
hacia el concentrador (trama de 44 bytes), considerando como periodo de transmisión cada 1
segundo, para una tasa de transferencia de 10 Kbps, para un alcance de 50, 25 y 10 metros, con el
propósito de analizar y obtener los tiempos de propagación, tiempo de transmisión, analizar el
BER para cada distancia, tasa de paquetes perdidos en la trasmisión.
Parámetros de simulación.
Trama: 44 bytes.
Velocidad de Propagación: 10 Kbps
Distancia del nodo 1: 50, 25 y 10 metros
Tiempo de simulación de escenario: 5 min.
Periodo de envió de datos: 10 segundos
Figura 34. Referencia de escenario propuesto (OPNET)
Fuente: OPNET (Riverbed Modeler Academic Edition)
Se propone ejecuta el mismo escenario 1 e identificar que ocurre si se le incrementa la velocidad
de propagación a 50 y 100 Kbps, para cada una de las distancias propuestas (50, 25 y 10 metros),
analizar y obtener los tiempos de propagación, tiempo de transmisión, analizar el BER para cada
distancia, tasa de paquetes perdidos en la trasmisión.
Parámetros propuestos para Escenario 1:
96
Trama: 44 bytes.
Velocidad de Propagación: 50 y 100 Kbps
Distancia del nodo 1: 50, 25 y 10 metros
Tiempo de simulación de escenario: 5 min.
Periodo de envió de datos: 10 segundos
4.4.2. Escenario 2.
El presente escenario se establece comunicación entre dos nodos terminales y un concentrador,
tal como muestra la figura 35, donde el nodo 1 y nodo 2 envían simultáneamente paquetes al
concentrador (trama de 44 bytes), con una tasa de transferencia de 10 kbps, para un rango de
distancia de 50, 25 y 10 metros (separación de cada nodo). Analizar cuál es el que transmite
primero, cálculo del BER con respecto a cada distancia, tiempos de trasmisión de datos, tiempo de
transmisión y tasa de paquetes errados.
Parámetros de propuestos para Escenario 2.
Trama: 44 bytes.
Velocidad de Propagación: 10 Kbps
Distancia entre nodo 1 y nodo 2: 50, 25 y 10 metros
Tiempo de simulación de escenario: 5 min.
Periodo de envió de datos: 10 segundos
97
Figura 35. Referencia de escenario propuesto (OPNET)
Fuente: OPNET (Riverbed Modeler Academic Edition)
Se propone ejecuta el escenario 2 e identificar que ocurre si se le incrementa la velocidad de
propagación a 50 y 100 Kbps, para cada una de las distancias propuestas (50, 25 y 10 metros) y
obtener que nodo es el que transmite primero, tiempos de propagación, tiempos de transmisión,
BER sobre distancia y tasa de paquetes errados.
4.4.3. Escenario 3.
El presente escenario propone replicar los mismos conceptos y parámetros de simulación de los
escenarios 1 y 2, considerando aplicarlo mediante la simulación del protocolo de comunicación
ZigBee, con el fin de establecer una comparativa entre los resultados obtenidos con el protocolo
de comunicación propuesto y los resultados del protocolo ZigBee, con respecto a tiempos de
propagación, tiempos de transmisión, BER, tasa de paquetes errados, para los diferentes rangos de
distancia.
98
4.4.4. Escenario 4.
Luego de analizar el primero y segundo escenario, éstos servirán para que se le implemente
como mecanismo de seguridad la encriptación AES 128 bits, para mantener seguro el mensaje
transmitido hacia el concentrador, para lo cual en la trama transmitida se habilitara el campo de
seguridad respectivo, con el fin de analizar las variaciones o aumento en tiempos de retardo. Es
decir, poder comprender como el mecanismo de seguridad por un lado permite mantener la
información segura, pero por otro lado surgen cambios en cuanto a los tiempos de propagación y
transmisión para una transmisión segura de datos, entre los nodos involucrados en un ambiente
HAN simulado.
99
Conclusiones.
- Son varios los países en el mundo, que se encuentran creando políticas para satisfacer las
necesidades de la creciente demanda de energía eléctrica, las emisiones de CO2, el uso de
fuentes no renovables, a través de las redes eléctricas inteligentes, que son altamente
administradas desde el hogar hasta la generación eléctrica. Los programas gubernamentales
y proyectos piloto invierten grandes sumas de dinero con el fin de apoyar el desarrollo y
despliegue de las redes eléctricas inteligentes a través de la implementación de dispositivos
de medición avanzada, permitiendo que se desarrollen varias aplicaciones para ambientes
del hogar, con el fin concientizar el uso eficiente de energía, patrones de consumo, ahorro
de energía, gestión de la demanda, etc.
- Según el análisis de protocolos de comunicación más usados en sistemas y aplicaciones de
redes de área del hogar, permitió definir las fortalezas y debilidades de cada uno de los
protocolos (Wifi, ZigBee, Z-Wave y Bluetooth), concluyéndose que el protocolo de
comunicación ZigBee, dado que es uno de los que más se ajusta a sistemas HAN y mejores
características presenta en cuanto a su velocidad de datos considerable para aplicaciones
HAN, trabaja a frecuencia no licenciada, gran cantidad de nodos pueden ser incorporados a
la red, baja potencia de trabajo permitiendo el ahorro de energía, factor importante que se
destaca de los demás protocolos de comunicación.
- Luego del análisis pertinente se determinó que se podría definir parámetros que debe tener
un protocolo de comunicación para un ambiente HAN, con características de sincronización
de los datos, mecanismos de integradad de la información, acuse de recibo, balizado para
minimizar el uso de energía, trama de datos del mensaje HAN, y comprobación de errores,
100
dando así un tamaño de trama de 44 bytes como máximo, y teóricamente con una trasferencia
de datos de 100kbps se tiene un tiempo de transmisión de trama de 3,5 milisegundos,
permitiendo una transmisión de datos adecuada para sistemas HAN, pero en cuanto a
implementación de dicho protocolo, se requerirá alto costos para el despliegue del mismo y
será necesario la simulación del protocolo para definir sus parámetros en un ambiente real.
Por lo que considerando que en varios países se está utilizando para el despliegue de redes
de área del hogar el protocolo ZigBee, se sugiere utilizar dicho protocolo, ya que permite un
ahorro de costos de implementación en electrodomésticos inteligentes, por cuanto ya se
encuentra definido, brinda grandes ventajas de cobertura, frecuencia de operación, velocidad
de datos, capacidad de operar a poca potencia, ayudando al ahorro de energía y consumo
considerable de baterías.
101
Recomendaciones.
- Para proyectos futuros se recomienda que se ejecute una simulación del protocolo propuesto
en el presente estudio, a través de la herramienta OMNeT++, para una ambiente simulado
de una red de área del hogar, con el propósito de analizar cada uno de los campos de la trama
y así comprobar su desempeño en la comunicación de dispositivos inteligentes en un
ambiente de área del hogar para las redes eléctricas inteligentes, además de ello se podría
establecer una comparativa entre el protocolo simulado y el protocolo ZigBee, para definir
las características de dichos protocolos, los beneficios y desventajas que presentan para el
desarrollo de sistemas para HAN.
- Tomando como antecedente el presente estudio de protocolo de comunicación para una red
de área del hogar, se recomienda que, para un proyecto en un futuro, implementar el
protocolo de comunicación en un ambiente real, mediante el desarrollo de un prototipo de
censado y adquisición de datos de un electrodoméstico convencional, y por medio del
protocolo de comunicación propuesto, poder establecer comunicación para un sistema de
gestión de energía, patrones de consumo, demanda de energía, etc.
- El estudio y propuesta de este nuevo protocolo, abre puertas a que se siga investigando y
desarrollando proyectos destinados a la administración y gestión de la energía eléctrica en
los electrodomésticos, dado que un protocolo de comunicación es la parte fundamental para
poder establecer una correcta comunicación entre los dispositivos del hogar, y muy aplicable
para redes de área del hogar en un ambiente de Smart Grid.
- Se recomienda que en nuestro país se desarrollen políticas que permitan el despliegue de
redes eléctricas inteligentes, con el fin de alcanzar una eficiencia de energía e implementar
102
aplicaciones de gestión de la demanda del hogar y patrones de consumo, que permitan al
usuario final, alcanzar un ahorro energético y administración adecuada de sus dispositivos
electrónicos inteligentes del hogar. Además de incentivar al desarrollo de proyectos pilotos
para fomentar capacitaciones de redes eléctricas inteligentes y consumo adecuado de la
energía eléctrica.
103
Glosario de Términos y Acrónimos
AMI: Infraestructura de Medición Avanzada
BEP: Barril equivalente de petróleo.
BER: Tasa de error binario.
CO: Monóxido de carbono.
CONELEC: Consejo Nacional de Electricidad.
DEI: Dispositivos Electrónicos Inteligentes
DER: Recursos de Energía Distribuidos.
DG: Generación Distribuida.
FACTS: Sistemas de transmisión de corriente alterna flexible.
FAN: Field Area Network (Redes de Área de Campo).
GUI: Interfaz gráfica de usuario.
HAN: Home Area Network (Red de Área del Hogar).
HEM: Administración de energía doméstica.
Home Plug: Familia de especificaciones de comunicación por línea eléctrica.
HVDC: Sistema de Corriente Continua de alta tensión.
IEC: Comisión Electrotécnica Internacional.
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y
Electrónicos).
MEER: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable.
NIST: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
OMNet++: Simulador modular de eventos discretos de redes orientado a objetos.
104
OPNET: Simulador de red se utiliza para simular el comportamiento y el rendimiento de
cualquier tipo de red. Se diferencia de otros simuladores en su potencia y versatilidad.
O-QPSK: Desplazamiento de fase de cuadratura compensada.
PCC: Punto de acoplamiento común.
PDU: Unidades de medición fasorial.
PHR: Encabezado de la trama física.
PLC: Comunicación de línea de alimentación
PSDU: Unidad de datos del servicio de la capa física.
REDIE: Redes Inteligentes Ecuador.
ROCOF: Tasa de cambio de frecuencia.
SCADA: Control de supervisión y adquisición de datos.
SFD: Delimitador de paquetes.
SG: Smart Grid (Red eléctrica inteligente).
TIC: Tecnologías de la Información y la Comunicación.
VPN: redes privadas virtuales
WAN: Wide Area Network (Red de área Amplia).
105
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